Особенности эксплуатации тэс гэс аэс: Помогите пожалуйста! особенности эксплуатации ТЭС ГЭС и АЭС

Содержание

Урок географии в 9-м классе. Тема: «Электроэнергетика России»

2.

Изучение нового материала.

Электроэнергетика является авангардной отраслью промышленности, т.к. без энергии не возможна работа ни одного предприятия.

Потребление электроэнергии.

Электроэнергетика – отрасль, которая производит электроэнергию на электростанциях и передаёт её на расстояние по линиям электропередач.

Производство электроэнергии. Анализ рисунка.

Заполняют опорный конспект

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Работа со статистическим материалом.

Анализ рисунка. Динамика производства электроэнергии в России за последние 20 лет.

Спад в производстве в конце 1990-х годов, рост производства в настоящее время.

3

Виды электростанций.

1. Виды электростанций.

Тепловые (ТЭС) – работают на угле, газе, мазуте, торфе, поэтому их можно строить в разных районах страны.

Крупные ТЭС называют ГРЭС (государственные районные электростанции). Самая крупная ТЭС России – Сургутская.

Разновидностью тепловых станций являются ТЭЦ – теплоэлектроцентрали, которые кроме энергии вырабатывают тепло.

Недостатки ТЭС:

  1. Работают на невозобновимых ресурсах.
  2. Дают много отходов (самые чистые ТЭС на газе).
  3. Режим работы меняется медленно (для разогрева котла необходимо 2-3 суток).
  4. Энергия дорогая, т.к. для эксплуатации станции, добычи и транспортировки топлива требуется много людей (затраты на зарплату).

Гидроэлектростанции (гидравлические) – ГЭС. Их строят на реках с быстрым течением с высокими берегами, и большим расходом энергии. Преимущества ГЭС заключаются в дешевизне электроэнергии и в экологической чистоте (нет дыма).

Саяно-Шушенская, Красноярская, Волжская, Саратовская, Волгоградская.

Недостатки ГЭС:

  1. Длительное и дорогое строительство (крупные ГЭС строят 15-20 лет).
  2. Строительство ГЭС сопровождается затоплением огромных площадей плодородных земель. В зоне затопления оказываются сотни деревень и даже городов.
  3. Вода в водохранилище быстро загрязняется, так как идет накопление отходов. А прошедшая через турбину вода становится “мертвой”, поскольку в ней погибают все микроорганизмы.

Атомные электростанции (АЭС) – работают на ядерном топливе (уран, плутоний). Доля АЭС в производстве электроэнергии составляет 16%. АЭС строят там, где нет традиционных видов топлива, гидроэнергоресурсов, нет дорог, а энергия нужна.

Для производства равного количества энергии на АЭС надо 1 кг ядерного топлива, а на ТЭС – 3000 т каменного угля. На 20-30 т ядерного топлива АЭС может работать несколько лет. Курская, Ленинградская, Балаковская, Смоленская, Кольская, Тверская, Нововоронежская, Белоярская, Ростовская, Билибинская, Димитровская.

2. Проблемы электростанций.

Недостатки АЭС:

  1. Риск экологических катастроф от аварий на АЭС очень велик. Примером может служить авария на Чернобыльской АЭС в 1986 году.
  2. Проблема переработки и хранения радиоактивных отходов.
 

 

 

 

Заполняют таблицу в опорном конспекте, работают с картой электроэнергетики в атласе.

 

 

 

 

 

Доклад воспитанниц о крупнейшей ТЭС (опережающее задание -3 мин)

 

 

Заполняют таблицу в опорном конспекте, работают с картой электроэнергетики в атласе.

 

 

 

 

Доклад воспитанниц о крупнейшей ГЭС (опережающее задание — 3 мин.)

 

 

 

 

 

Заполняют таблицу в опорном конспекте, работают с картой электроэнергетики в атласе.

 

Доклад воспитанниц о крупнейшей ГЭС (опережающее задание -3 мин).

4.

Работа в группах с контурной картой.

На контурной карте отмечены все электростанции России, нет подписей.

Задание на контурной карте;

  1. Подписать крупнейшие ГЭС. (Саяно-Шушенская, Братская, Красноярская, Усть-Илимская, Иркутская, Волгоградская, Саратовская, Волжская, Цимлянская, Кирошская, Рыбинская)
  2. Подписать все атомные электростанции.
  3. Пописать перечисленные ТЭС. (Новочеркасская, Кемеровские, Печерская, Сургутская, Костромская, Рефтинская, Ямбургская, Сахалинская, Нерюнгринская) Условным знаком указать вид, используемого топлива.
  4. Сделать вывод об особенностях размещения электростанций.
Работа с картой. (7 минут)

1 группа выполняет задание №1, 4.

2 группа выполняет задание № 2, 4.

3 группа выполняет задание №3, 4.

Анализ результатов работы. Вывод об особенностях размещения ТЭС, ГЭС, АЭС.

 

Остальные задания все доделывают дома.

5.

Закрепление.

1. Минимальные затраты на перевозку топлива.

2. Возможность размещения практически в любом месте.

3. Низкая себестоимость электроэнергии.

4. Увеличивает мощность в пиковые часы..

5. Работают на невозобновимых ресурсах.

6. Относительно низкая стоимость строительства.

7. Возможность использования различных видов топлива.

8. Возможность комплексного использования водохранилищ (обеспечение хозяйства водой, разведение рыбы, орошение земель, развитие судоходства).

9. Возникновение экологической катастрофы в случае аварии.

10. Проблема утилизации и захоронения отходов.

11. Затопление плодородных земель и населенных пунктов.

12. Высокая стоимость и продолжительность строительства.

13. Препятствуют естественным миграциям рыб.

14. Заболачивание территорий.

15. Сильное загрязнение атмосферы.

16. Высокие расходы на транспортировку топлива.

17. Высокая себестоимость электроэнергии.

18. Строительство возможно рядом с используемым ресурсом.

19.Изменяют режим рек, влияют на климат территории.

Воспитанницы письменно отвечают на вопросы, занося номер утверждения в нужную ячейку таблицы.

Фронтальный опрос. (6 минут)

Тип электро-
станции
Преиму-
щества
Недо
статки
ТЭС    
ГЭС    
АЭС    

Ответы:

Тип электро-
станции
Преи-
мущества
Недо
статки
ТЭС 2, 6, 7 5, 15, 16, 17
ГЭС 3, 4, 8, 11, 12, 13, 14, 18, 19
АЭС 1, 2, 5, 9, 10

Взаимопроверка. Выставление оценок.

ТЭЦ, ТЭС и ГЭС не менее вредны, чем АЭС

Те, кто декларирует немедленный отказ от АЭС, но сами не крутят педали динамо-машин, демонстрируют свою непоследовательность, ведь ТЭЦ, ТЭС и ГЭС не менее вредны для природы и людей, чем АЭС, а «зеленые» технологии будущего пока существуют лишь в виде пилотных научных проектов.

«Авария на японской АЭС — конец эры ядерной энергетики», «Человечество слишком несовершенно, чтобы использовать энергию атома» — такими заголовками пестрят газеты и журналы на протяжении полутора недель. Италия, Германия и США заявили о приостановке программ развития атомной энергетики, а Латинская Америка заморозила соответствующие контракты с российскими компаниями.

Имеют ли такие действия правительств основания под собой? Есть ли альтернативы у атомной энергетики сегодня?

Попробуем ответить на эти вопросы. Для этого сначала нужно разобраться в причинах катастрофы на АЭС «Фукусима-1».

Строительство АЭС и ее системы безопасности должны проектироваться исключительно с учетом физико-географических особенностей региона, его природных рисков и со значительной перестраховкой. Япония — страна, лишенная собственных природных источников энергии и вынужденная ее импортировать. В этой стране все хорошо знают о сейсмических особенностях территории и, соответственно, о рисках строительства АЭС. Реакторы «Фукусимы-1» были вовремя заглушены в автоматическом режиме, что позволило избежать немедленной катастрофы.

Этот аспект уж точно не влияет на перспективы безопасности АЭС континентальной Европы, который является крайне спокойным сейсмически (за исключением, пожалуй, юга Италии) регионом.

Однако аварийное питание к системам охлаждения «Фукусимы-1» не было подключено, в результате события на АЭС развиваются непредсказуемым образом уже вторую неделю. Виной этой недоработки, скорее всего, стал человеческий фактор, но и эта причина аварий на АЭС не является сюрпризом, вспомним крупнейшие катастрофы в Чернобыле и на «Три-Майл-Айленде».

Таким образом, политические шаги по заморозке ядерных программ являются большей частью данью запросам общественного мнения, а не результатом объективного экспертного анализа ситуации.

Авария на «Фукусиме-1» не принесла ничего нового в мир ядерной энергетики и в изучение вопроса безопасности АЭС.

На этом фоне характерно выделяется позиция Франции, которая получает 80% электроэнергии от АЭС и не имеет разумной альтернативы: там сворачивание ядерных программ не планируется.

Теперь обратимся к современным альтернативам АЭС, которые многие «зеленые» и паникующие обыватели считают более безопасными и экологичными. Если АЭС, работающая в нормальном режиме, безопасна для окружающей среды (исключением может стать вопрос захоронения ядерных отходов), то все станции, сжигающие природное топливо, наносят серьезный вред окружающей среде каждый день в процессе штатного функционирования. Кроме того, запасы углеродного топлива ограничены, оно крайне ценно как исходное сырье для химической и полимерной промышленности, обеспечивающей растущие нужды общества потребления (вспомним еще раз высказывание Менделеева более чем вековой давности о том, что «сжигать нефть — это все равно что топить печь ассигнациями»).

Альтернативные источники энергии не способны покрыть все потребности, к тому же при текущем уровне развития технологий и они не могут считаться в полной мере экологичными.

Биотопливо производится пока только из съедобного сырья, а это чревато истощением сельскохозяйственных земель и голодом в странах третьего мира. Технологию производства солнечных батарей экологичной не назовешь, к тому же изнашиваются они чрезвычайно быстро. Даже ветряные электростанции — альфа и омега «зеленой энергии» — требуют для строительства крайне неэкологичного в производстве материала — алюминия. ГЭС, что давно доказано, разрушают экосистемы рек, да и небезопасны из-за все того же человеческого фактора: авария на Саяно-Шушенской ГЭС еще свежа в памяти, по крайней мере, российских обывателей. Хорошо иллюстрирует опасность отказа от ядерной энергетики и представленный ниже график роста выбросов углекислого газа при замене действующих АЭС аналогичными по мощности сериями ТЭС.

В свете этого на данном этапе для производства «зеленой энергии» борцам против АЭС следует отказаться от продвинутых благ цивилизации и сесть за педали динамо-машин, которые обеспечат хотя бы свет в их домах в ночное время.

При другом раскладе в их рассуждениях и действиях видна явная непоследовательность.

Но разве перспективы человечества настолько неприглядны и годы сосредоточенной работы лучших ученых умов ничего не дали? Отнюдь. Технологии биотоплива успешно развиваются и в ближайшие десятилетия смогут обеспечить переход от дорогостоящего пищевого сырья к дешевым целлюлозным отходам, а биотопливо будущего — водоросли в гигантских промышленных реакторах — способно перейти к прямой переработке выделяемого человечеством CO2 в высококачественное топливо. Технологии коммерческого использования термоядерного синтеза развиваются уже сейчас: ведущие страны мира (доля России в проекте — 2/11) строят первый рентабельный термоядерный реактор ITER, который может начать работу уже через 10 лет. Та же Франция (реактор строится в местечке Кадараш под Марселем) явно делает ставку на безопасную технологию ядерного синтеза в будущем: количество радиоактивных веществ, находящихся в таком реакторе, мало, а энергия, выделяющаяся в результате возможной аварии, просто не может привести к разрушению реактора.

Таким образом, по оптимистичным прогнозам, чистая энергия может распространиться по Земле уже в ближайшие десятилетия.

Однако до этого момента нам следует сохранить планету чистой и богатой ресурсами для будущих поколений. Чтобы сделать это, человечеству придется использовать существующие атомные электростанции, хотя авария на «Фукусиме-1», возможно, косвенно стимулирует финансирование научных проектов энергии будущего.

Кран мостовой электрический кругового действия (полярный) для реакторного отделения АЭС

Полярный кран устанавливается под куполом гермооболочки реакторного здания АЭС и используется для перемещения грузов в реакторном отделении. Тележка полярного крана перемещается вдоль моста, сам кран передвигается по круговому рельсу над шахтой ядерного реактора, что позволяет совершать транспортные операции в любой точке здания.

    Выполняются следующие операции:
  • транспортно-технологические и ремонтные операции по обслуживанию атомного реактора в период эксплуатации АЭС с грузами, включая ядерноопасные грузы; операции по загрузке ядерного топлива в контейнер свежего топлива и выгрузке отработанного топлива в транспортный коридор;
  • подъемно-транспортные и строительно-монтажные операции в период строительства АЭС: операции по складированию оборудования (частей реактора, корпусов парогенераторов, компенсатора, главных циркуляционных насосов трубопроводов и др. ), а затем по его установке на проектное место.

В период монтажа оборудования управление краном производится с временных пультов. При эксплуатации управление ведется из помещения, находящегося за пределами реакторного здания. Шкафы с пускорегулирующей аппаратурой систем управления также устанавливаются в отдельном помещении, вне гермозоны. Полярные краны относятся к высшему классу безопасности оборудования для АЭС.

Объекты поставкиПараметры оборудованияСейсмостойкостьОсобенности конструкции
Грузоподъемность, тПролет крана, мДиапазоны подъемов, мМасса, кг
АЭС «Куданкулам»главный подъем35041,5вилка главного подъема22424130I категория по НП-031-01 МР3 — 9 балловМеханизм обслуживания купола располагается на мосту крана, имеются две грузовые тележки (спаренные), сервисные механизмы на портале крана и грузовой тележке
вспомогательный подъем32крюк вспомогательного подъема20
тележка сервисная на портале моста10крюк подъема тележки сервисной23
сервисный механизм на портале тележки10крюк подъема на портале тележки33,5
Курская АЭС-2главный подъем39041,5вилка главного подъема28394055I категория по НП-031-01 МР3 — 9 балловНет механизма обслуживания купола, имеются две грузовые тележки (спаренные), сервисные механизмы на портале крана и грузовой тележке
вспомогательный подъем32крюк вспомогательного подъема30
тележка сервисная на портале моста10крюк подъема тележки сервисной22
сервисный механизм на портале тележки10крюк подъема на портале тележки26
Белорусская АЭСглавный подъем36041,5вилка главного подъема28375640I категория по НП-031-01 МР3 — 8 балловНет механизма обслуживания купола, имеется одна грузовая тележка, сервисный механизм на портале крана
вспомогательный подъем32крюк вспомогательного подъема50
тележка сервисная на портале моста10крюк подъема тележки сервисной26
Ростовская АЭСглавный подъем37043вилка главного подъема 370т45480000I категория по НП-031-01 МР3 — 7 балловМеханизм обслуживания купола располагается на отдельном рельсовом пути, частью крана не является. Имеются две грузовые самостоятельные тележки. В составе крана — сервисные механизмы (на портале крана, на каждой из тележек и под балкой крана)
главный подъем вспомогательной тележки160вилка главного подъема 160т45
вспомогательный подъем вспомогательной тележки2х70проушина подъема 2х70т47
сервисные электрические тали (4 шт.)10электротали (на портале главной тележки/на кронштейне главной тележки/на мосту крана/на портале моста крана)36/48/48/24

8.2. Аэс, радиационная безопасность и сравнение возможных экологических результатов эксплуатации с тэс и гэс

Сегодня развитию ядерной энергетики придается боль­шое значение, т. к. без широкого использования АЭС элек­троэнергетике становится все труднее обеспечивать воз­растающие топливно-энергетические потребности стран. Расход ядерного топлива по массе в 10 000 раз меньше расхода органического топлива, что позволяет строить АЭС в районах, не имеющих топливных ресурсов. Ма­невренность АЭС невысокая, эти станции должны рабо­тать на расчетной мощности, желательно без всякого ре­гулирования.

Одной из актуальных задач, стоящих перед атомной энергетикой, является комплексная автоматизация АЭС и широкое внедрение на них автоматизированных сис­тем управления технологическими процессами, оснащенных современными электронно-вычислительны­ми машинами и микропроцессорной техникой.

Строительство и ввод новых АЭС выдвигают ряд про­блем и задач, которые должны найти свое решение в бли­жайшие годы. В их числе можно выделить такие как дальнейшее совершенствование строительства АЭС, повы­шение эффективности и качества пусконаладочных ра­бот, повышение технологического уровня эксплуатации АЭС, совершенствование ремонтного обслуживания, а так­же подготовка и переподготовка кадров для атомной энер­гетики.

Основным путем повышения эффективности соору­жения АЭС является поточное строительство значитель­ного количества однотипных энергоблоков. При этом в проекты АЭС не будут вноситься какие-либо изменения. Применение прогрессивных технологий и индустриаль­ных методов строительства с использованием широкой специализации по видам работ позволит не только повы­сить качество строительно-монтажных работ, но также существенно сократить продолжительность строительства.

Авария на Чернобыльской АЭС показала, что пробле­ма безусловного обеспечения надежной и безопасной экс­плуатации АЭС является наиболее актуальной и важной. Безопасность АЭС зависит от следующих факторов: уро­вень их эксплуатации, квалификации эксплуатационно­го и ремонтного персонала, контроль за соблюдением тре­бований безопасности на всех этапах создания и эксплуа­тации АЭС, качество разработки и изготовления оборудо­вания, научно-технический уровень и качество проектов, качество выполнения строительно-монтажных работ при сооружении АЭС.

Главными путями обеспечения надежной и безопас­ной эксплуатации АЭС являются: повышение производ­ственной дисциплины и технического уровня эксплуата­ции; усиление профилактической противоаварийной ра­боты; дальнейшее совершенствование систем и оборудо­вания АЭС.

При строительстве и эксплуатации АЭС возникает воп­рос об охране окружающей среды, т.к. техногенные воз­действия очень велики. Обычно говорят, что имеют место физические, химические, радиационные и другие факто­ры техногенного воздействия эксплуатации АЭС на объек­ты окружающей среды.

Наиболее существенные факторы:

  • локальное механическое воздействие на рельеф при строительстве;

  • сток поверхностных и грунтовых вод, содержащих химические и радиоактивные компоненты;

  • изменение характера землепользования и обменных процессов в непосредственной близости от АЭС;

  • изменение микроклиматических характеристик при­лежащих районов.

Возникновение мощных источников тепла в виде во­доемов-охладителей при эксплуатации АЭС обычно за­метным образом изменяет микроклиматические харак­теристики прилежащих районов. Движение воды в сис­теме внешнего теплоотвода, сбросы технологических вод, содержащих разнообразные химические компоненты, ока­зывают травмирующее воздействие на популяции, флору и фауну экосистем.

Особое значение имеет распространение радиоактив­ных веществ в окружающем пространстве.

В комплексе сложных вопросов по защите окружаю­щей среды большую общественную значимость имеют проблемы безопасности АЭС, идущих на смену тепловым станциям на органическом ископаемом топливе. Обще­признано, что АЭС при их нормальной эксплуатации не менее чем в 5-10 раз «чище» в экологическом отноше­нии, чем ТЭС, работающие на угле, но тепловое загрязне­ние от них больше. Однако при авариях АЭС могут ока­зывать существенное радиационное воздействие на лю­дей, экосистемы. Поэтому обеспечение безопасности экос­феры и защиты окружающей среды от вредных воздей­ствий — крупная научная и технологическая задача ядер­ной энергетики, обеспечивающая ее будущее. Ремонт ядер­ных установок ограничен, поэтому примерно через 20 лет встает вопрос об их консервации. Сложна проблема лик­видации радиоактивных отходов.

В связи с радиоактивным загрязнением поверхност­ных вод в районе расположения АЭС устанавливают уров­ни контрольных концентраций радионуклидов в различных объектах. Если концентрация радионуклидов не пре­восходит контрольные уровни, то тем самым гарантиру­ется, что дозовые нагрузки как на население региона, так и на представителей флоры и фауны не будут превышать нормативных.

ГЭС отличаются от АЭС прежде всего тем, что исполь­зуют возобновляемый источник энергии и не нуждаются в топливе, КПД ГЭС очень высок. Мощность ГЭС может быть различной — от небольших установок в несколько киловатт до гигантов мощностью в 10 ГВт. Самая крупная в мире ГЭС «Итайпу» работает в Бра-зилии. Ее мощность — 11 ГВт. Сопоставимая с ней по мощности (18,2 ГВт) ГЭС «Три ущелья» сооружается в Китае на реке Янцзы. Проект «Три ущелья» станет са­мой дорогостоящей ГЭС в истории — стоимость проекта приблизительно составит 25 млрд долларов. Плотина воз­высится на 300 м над уровнем воды в реке Янцзы. Стро­ительные работы ведутся с 1990 года и продлятся до 2009 года. В течение нескольких лет в этом районе об­разуется водохранилище протяженностью 600 км. Более 600 тыс. человек были заблаговременно выселены из за­тапливаемых районов.

ГЭС обладают исключительно маневренными свойства­ми: работающий агрегат может увеличить свою мощность в течение нескольких секунд, а запуск установленного агрегата занимает всего 1-2 минуты. Крупные многоаг­регатные ГЭС могут экономично без снижения КПД ра­ботать во всем диапазоне мощностей.

ГЭС — это наиболее экологически чистое предприятие, не создающее каких-либо загрязнений земли, воды и ат­мосферы. В последние годы наряду с повышением вни­мания общественности к экологическим проблемам раз­вернута критика гидротехнического строительства, свя­занная с последствиями создания водохранилищ.

Сопоставим последствия строительства ГЭС с послед­ствиями создания ТЭС. ТЭС мощностью 1000 МВт, рабо­тающая на привозном угле среднего качества, требует ежедневного подвоза 15 тыс. т угля, в результате в отва­лы пойдет 3 тыс. т золы и шлака, а в атмосферу будет выброшено 500 т газов и золы. Выбросы ТЭС будут не­прерывно поражать большую территорию. Сернистый ангидрид (S02), основной компонент выбросов, взаимодей­ствуя с атмосферной влагой, образует серную кислоту (H2S04), которая с осадками будет постепенно отравлять моря, леса и водоемы. Значительное количество земель займут выработки угольных карьеров, золоотвалы, дороги для транспортировки угля и отходов; 2/3 теплоты, выде­ленной при сжигании угля, будет выброшено в атмосферу и водоем с охлаждающей водой, что создаст тепловое заг­рязнение.

В глобальном масштабе неограниченное и неконтро­лируемое развитие энергетики, особенно ядерной, может в будущем нарушить тепловой баланс планеты с трудно­предсказуемыми для человечества последствиями. Гид­роэнергетика, использующая преобразованную солнечную энергию, не изменяет теплового баланса в масштабах пла­неты, а лишь перераспределяет энергию, получаемую от Солнца.

Контрольные вопросы и задания

  1. Какое влияние оказывают энергетические объекты и установки на окружающую среду?

  2. Какие сферы деятельности людей наносят наибольший вред окружающей среде?

  3. Какие вредные вещества содержатся в продуктах горе­ния топлива?

4. Что такое парниковый эффект?

  1. Назовите основные причины повышения средней темпе­ратуры на планете.

  2. К каким последствиям может привести глобальное по­вышение температуры на Земле?

  3. Можно ли однозначно утверждать, что парниковый эф­фект вреден?

  4. В результате чего возникает тепловое загрязнение окру­жающей среды?

  5. Перечислите основные преимущества и недостатки при эксплуатации ТЭС, АЭС и ГЭС.

10.Какие отрицательные последствия, кроме загрязнения окружающей среды, влечет использование ядерной энергии?

Экологические проблемы энергетического обеспечения человечества

Экологические проблемы энергетического обеспечения человечества

Введение. Энергия – проблемы роста потребления

    Энергетический кризис – явление, возникающее, когда спрос на энергоносители значительно выше их предложения. Его причины могут находиться в области логистики, политики или физического дефицита.

    Потребление энергии является обязательным условием существования человечества. Наличие доступной для потребления энергии всегда было необходимо для удовлетворения потребностей человека, увеличения продол­жительности и улучшения условий его жизни.
    История цивилизации – история изобретения все новых и новых методов преобразования энергии, освоения ее новых источников и в конечном итоге увеличения энергопотребления.
    Первый скачок в росте энергопотребления произошел, когда человек научился добывать огонь и использовать его для приготовления пищи и обогрева своих жилищ. Источниками энергии в этот период служили дрова и мускульная сила человека. Следующий важный этап связан с изобретением колеса, созданием разнообразных орудий труда, развитием кузнечного производства. К XV веку средневековый человек, используя рабочий скот, энергию воды и ветра, дрова и небольшое количество угля, уже потреблял приблизительно в 10 раз больше, чем первобытный человек. Особенно заметное увеличение мирового потребления энергии произошло за последние 200 лет, прошедшие с начала индустриальной эпохи, – оно возросло в 30 раз и достигло в 1998 г. 13.7 Гигатонн условного топлива в год. Человек индустриального общества потребляет в 100 раз больше энергии, чем первобытный человек.
    В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей.
    В то же время энергетика – один из источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Она влияет на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц), гидросферу (потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта, выбросы токсичных веществ).
    Несмотря на отмеченные факторы отрицательного воздействия энергетики на окружающую среду, рост потребления энергии не вызывал особой тревоги у широкой общественности. Так продолжалось до середины 70-х годов, когда в руках специалистов оказались многочисленные данные, свидетельствующие о сильном антропогенном давлении на климатическую систему, что таит угрозу глобальной катастрофы при неконтролируемом росте энергопотребления. С тех пор ни одна другая научная проблема не привлекает такого пристального внимания, как проблема настоящих, а в особенности предстоящих изменений климата.
    Считается, что одной из главных причин этого изменения является энергетика. Под энергетикой при этом понимается любая область человеческой деятельности, связанная с производством и потреблением энергии. Значительная часть энергетики обеспечивается потреблением энергии, освобождающейся при сжигании органического ископаемого топлива (нефти, угля и газа), что, в свою очередь, приводит к выбросу в атмосферу огромного количества загрязняющих веществ.
    Такой упрощенный подход уже наносит реальный вред мировой экономике и может нанести смертельный удар по экономике тех стран, которые еще не достигли необходимого для завершения индустриальной стадии развития уровня потребления энергии, в том числе России. В действительности все обстоит гораздо сложнее. Помимо парникового эффекта, ответственность за который, частично лежит на энергетике, на климат планеты оказывает влияние ряд естественных причин, к числу важнейших из которых относятся солнечная активность, вулканическая деятельность, параметры орбиты Земли, автоколебания в системе атмосфера-океан. Корректный анализ проблемы возможен лишь с учетом всех факторов, при этом, разумеется, необходимо внести ясность в вопрос, как будет вести себя мировое энергопотребление в ближайшем будущем, действительно ли человечеству следует установить жесткие самоограничения в потреблении энергии с тем, чтобы избежать катастрофы глобального потепления.

Современные тенденции развития энергетики


 Рис. 5.37. Мировое потребление коммерческой энергии Е и численность населения Р во второй половине XX столетия
    Общепринятая классификация подразделяет источники первичной энергии на коммерческие и некоммерческие.
    Коммерческие источники
энергии включают в себя твердые (каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, битуминозные пески), жидкие (нефть и газовый конденсат), газообразные (природный газ) виды топлива и первичное электричество (электроэнергия, произведенная на ядерных, гидро-, ветровых, геотермальных, солнечных, приливных и волновых станциях).
    К некоммерческим относят все остальные источники энергии (дрова, сельскохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила рабочего скота и собственно человека).
    Мировая энергетика в целом на протяжении всей индустриальной фазы развития общества основана преимущественно на коммерческих энергоресурсах (около 90% общего потребления энергии). Хотя следует отметить, что существует целая группа стран (экваториальная зона Африки, Юго-Восточная Азия), многочисленное население которых поддерживает свое существование почти исключительно за счет некоммерческих источников энергии.
    Различного рода прогнозы потребления энергии, базирующиеся на данных за последние 50-60 лет предполагают, что примерно до 2025 г. ожидается сохранение современного умеренного темпа роста мирового потребления энергии – около 1.5% в год и проявившая себя в последние 20 лет стабилизация мирового душевого потребления на уровне 2.3-2.4 т усл.топл./(чел.-год). После 2030 г. по прогнозу начнется медленное снижение среднемирового уровня душевого потребления энергии к 2100 г. При этом общее потребление энергии обнаруживает явную тенденцию к стабилизации после 2050 г. и даже слабого уменьшения к концу века.
    Одним из важнейших факторов, учитывавшихся при разработке прогноза, является обеспеченность ресурсами мировой энергетики, базирующейся на сжигании ископаемого органического топлива.
    В рамках рассматриваемого прогноза, безусловно, относящегося к категории умеренных по абсолютным цифрам потребления энергии, исчерпание разведанных извлекаемых запасов нефти и газа наступит не ранее 2050 г., а с учетом дополнительных извлекаемых ресурсов – после 2100 г. Если принять во внимание, что разведанные извлекаемые запасы угля значительно превосходят запасы нефти и газа, вместе взятые, то можно утверждать, что развитие мировой энергетики по данному сценарию обеспечено в ресурсном отношении более чем на столетие.
    Вместе с тем, результаты прогнозов дают значительный разброс, что хорошо видно из подборки некоторых опубликованных данных прогнозов на 2000 г.

Таблица 5.7. Некоторые недавние прогнозы энергопотребления на 2000 г.
(в скобках – год публикации) и его действительное значение.

Прогностический центр Потребление первичной энергии,
Гт усл.топл./год
Институт атомной энергии (1987) 21.2
Международный институт прикладного системного анализа (IIASA) (1981) 20.0
Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) (1981) 18.7
Окриджская национальная лаборатория (ORNL) (1985) 18.3
Международная комиссия по изменению климата (IPCC) (1992) 15. 9
Лаборатория глобальных проблем энергетики ИБРАЭ РАН–МЭИ (1990) 14.5
Действительное энергопотребление 14.3

    Уменьшение энергопотребления по отношению к прогнозируемому связаны, прежде всего, с переходом от экстенсивных путей ее развития, от энергетической эйфории к энергетической политике, основанной на повышении эффективности использования энергии и всемерной ее экономии.
    Поводом для этих изменений стали энергетические кризисы 1973 и 1979 годов, стабилизация запасов ископаемых топлив и удорожание их добычи, желание уменьшить обусловленную экспортом энергоресурсов зависимость экономики от политической нестабильности в мире.

Табл.5.8. Стоимость электроэнергии от различных источников в США в 2000 г. (долл. /кВт.ч).
Источник электроэнергии Стоимость
АЭС 0.14–0.15
ТЭС (уголь) 0.07–0.09
ГЭС (большие) 0.04
ГЭС (малые) 0.10–0.12
ТЭС (газовые) 0.04–0.06
ТЭС (биомасса) 0.07–0.10
ТЭС (геотермальные) 0.04
ВЭС (ветроустановки) 0.06–0.10
ГТЭС (гелиоустановки) 0.10–0.20

    Вместе с тем, говоря о потреблении энергии, следует отметить, что в постиндустриальном обществе должна быть решена еще одна основополагающая задача – стабилизация численности населения.
   
Современное общество, не решившее эту проблему или, по крайней мере, не предпринимающее усилий для ее решения, не может считаться ни развитым, ни цивилизованным, поскольку совершенно очевидно, что бесконтрольный рост населения ставит непосредственную угрозу существования человека как биологического вида.
    Итак, потребление энергии на душу населения в мире обнаруживает явную тенденцию к стабилизации. Следует отметить, что этот процесс начался еще около 25 лет тому назад, т.е. задолго до нынешних спекуляций на глобальном изменении климата. Такое явление в мирное время наблюдается впервые с начала индустриальной эпохи и связано с массовым переходом стран мира в новую, постиндустриальную стадию развития, в которой потребление энергии на душу населения остается постоянным. Указанный факт имеет весьма важное значение, поскольку в результате и величина общего потребления энергии в мире растет гораздо более медленными темпами. Можно утверждать, что серьезное замедление темпов роста энергопотребления оказалось полной неожиданностью для многих прогнозистов.

Кризис топливных ресурсов

    В начале 70-х годов страницы газет запестрели заголовками: «Энергетический кризис!», «Надолго ли хватит органического топлива?», «Конец нефтяного века!», «Энергетический хаос». Этой теме до сих пор большое внимание уделяют все средства массовой информации – печать, радио, телевидение. Основания для такой тревоги есть, ибо человечество вступило в сложный и достаточно долгий период мощного развития своей энергетической базы. Поэтому следуете просто расходовать известные сегодня запасы топлива, но расширяя масштабы современной энергетики, отыскивать новые источники энергии и развивать новые способы её преобразования.
    Прогнозов о развитии энергетики сейчас очень много. Тем не менее, несмотря на улучшившуюся методику прогнозирования, специалисты, занимающиеся прогнозами, не застрахованы от просчетов, и не имеют достаточных оснований говорить о большой точности своих прогнозов для такого временного интервала, каким являются 40-50 лет.
    Человек всегда будет стремиться обладать как можно большим количеством энергии, обеспечивающим движение вперед. Не всегда наука и техника дадут ему возможность получать энергию во всевозрастающих объемах. Но, как показывает историческое развитие, обязательно будут появляться новые открытия и изобретения, которые помогут человечеству сделать очередной качественный скачок и пойти к новым достижениям ещё более быстрыми шагами.
    Тем не менее, пока проблема истощения энергетических ресурсов остается. Ресурсы, которыми обладает Земля, делятся на возобновляемые и невозобновляемые. К первым относятся солнечная энергия, тепло Земли, приливы океанов, леса. Они не прекратят существования, пока будут Солнце и Земля. Невозобновляемые ресурсы не восполняются природой или восполняются очень медленно, гораздо медленнее, чем их расходуют люди. Скорость образования новых горючих ископаемых в недрах Земли определить довольно трудно. В связи с этим оценки специалистов различаются более чем в 50 раз. Если даже принять самое большое это число, то все равно скорость накопления топлива в недрах Земли в тысячу раз меньше скорости его потребления. Поэтому такие ресурсы и называют невозобновляемыми. Оценка запасов и потребления основных из них приведена в табл.5.44. В таблице приведены потенциальные ресурсы. Поэтому при существующих сегодня методах добычи из них можно извлечь только около половины. Другая половина остается в недрах. Именно поэтому, часто утверждают, что запасов хватит на 120-160 лет. Большую тревогу вызывает намечающееся истощение нефти и газа, которого (по имеющимся оценкам) может хватить всего на 40-60 лет.
    С углем свои проблемы. Во-первых, его транспортировка – дело весьма трудоемкое. Так в России, основные запасы угля сосредоточены на востоке, а основное потребление – в европейской части. Во-вторых, широкое использование угля связано с серьезным загрязнением атмосферы, засорением поверхности земли и ухудшением почвы.
    В разных странах все перечисленные проблемы выглядят различно, но решение их почти везде было одно – внедрение атомной энергетики. Запасы уранового сырья тоже ограничены. Однако если говорить о современных тепловых реакторах усовершенствованного типа, то для них, вследствие достаточно большой их эффективности, можно считать запасы урана практически безграничными.
    Так почему же люди заговорили об энергетическом кризисе, если запасов только органического топлива хватит на сотни лет, а в резерве ещё ядерное?
    Весь вопрос в том, сколько оно стоит. И именно с этой стороны нужно рассматривать сейчас энергетическую проблему. в недрах земли ещё много, но их добыча Нефти, газа стоит все дороже и дороже, так как эту энергию приходится добывать из более бедных и глубоко залегающих пластов, из небогатых месторождений, открытых в необжитых, труднодоступных районах. Гораздо больше приходится и придется вкладывать средств для того, чтобы свести к минимуму экологические последствия использования органического топлива.
    Атомная энергия внедряется сейчас не потому, что она обеспечена топливом на столетия и тысячелетия, а, скорее из-за экономии и сохранения на будущее нефти и газа, а также из-за возможности уменьшения экологической нагрузки на биосферу.
    Существует распространенное мнение, что стоимость электроэнергии АЭС значительно ниже стоимости энергии, вырабатываемой на угольных, а в перспективе – и газовых электростанциях. Но если подробно рассмотреть весь цикл атомной энергетики (от добычи сырья до утилизации РАО, включая расходы на строительство самой АЭС), то эксплуатация АЭС и обеспечение ее безопасной работы оказываются дороже, чем строительство и работа станции такой же мощности на традиционных источниках энергии (табл.5.8 на примере экономики США).
    Поэтому в последнее время все больший акцент делается на энергосберегающих технологиях и возобновляемых источниках – таких как солнце, ветер, водная стихия. Например, в Европейском союзе поставлена цель к 2010-2012 гг. получать 22% электроэнергии с помощью новых источников. В Германии, например, уже в 2001 г. энергия, производимая от возобновимых источников, была равносильна работе 8 атомных реакторов, или 3.5% всей электроэнергии.
    Многие считают, что будущее принадлежит дарам Солнца. Однако, оказывается и здесь все не так просто. Пока стоимость получения электроэнергии с применением современных солнечных фотоэлектрических элементов в 100 раз выше, чем на обычных электростанциях. Однако специалисты, занимающиеся фотоэлементами, полны оптимизма, и считают, что им удастся существенно снизить их стоимость.
    Точки зрения специалистов на перспективы использования возобновляемых источников энергии очень различаются. Комитет по науке и технике в Англии, проанализировав перспективы освоения таких источников энергии, пришел к выводу, что их использование на базе современных технологий пока минимум в два-четыре раза дороже строительства АЭС. Другие специалисты в различных прогнозах этим источникам энергии уже в недалеком будущем. По-видимому, источники возобновляемой энергии будут применяться в отдельных районах мира, благоприятных для их эффективного и экономичного использования, но в крайне ограниченных масштабах. Основную долю энергетических потребностей человечества должны обеспечить уголь и атомная энергетика. Правда, пока нет настолько дешевого источника, который позволил бы развивать энергетику такими быстрыми темпами, как бы этого хотелось.
    Сейчас и на предстоящие десятилетия наиболее экологичным источником энергии представляются ядерные, а затем, возможно, и термоядерные редакторы. С их помощью человек и будет двигаться по ступеням технического прогресса. Будет двигаться до тех пор, пока не откроет и не освоит какой-либо другой, более удобный источник энергии.
    На рис.5.38 приведен график роста мощности АЭС в мире и производства электроэнергии за 1971-2006 гг., и прогнозы развития на 2020-30 гг. Помимо упомянутых выше, несколько развивающихся стран, таких, как Индонезия, Египет, Иордания и Вьетнам, заявили о возможности создания АЭС и сделали первые шаги в этом направлении.


Рис.5.38. (наверху) Рост мощности АЭС и производства электроэнергии за 1971-2006 гг. по данным МАГАТЭ и прогнозы мощности АЭС в Мире на 2020-2030 гг. (внизу)

Экологический кризис энергетики

    Основные формы влияния энергетики на окружающую среду состоят в следующем.

  1. Основной объем энергии человечество пока получает за счет использования невозобновимых ресурсов.
  2. Загрязнение атмосферы: тепловой эффект, выделение в атмосферу газов и пыли.
  3. 3. Загрязнение гидросферы: тепловое загрязнение водоемов, выбросы загрязняющих веществ.
  4. Загрязнение литосферы при транспортировке энергоносителей и захоронении отходов, при производстве энергии.
  5. Загрязнение радиоактивными и токсичными отходами окружающей среды.
  6. Изменение гидрологического режима рек гидроэлектростанциями и как следствие загрязнение на территории водотока.
  7. Создание электромагнитных полей вокруг линий электропередач.

    Согласовать постоянный рост энергопотребления с ростом отрицательных последствий энергетики, учитывая, что в ближайшее время человечество ощутит ограниченность ископаемого топлива, можно, по-видимому, двумя способами

  1. Экономия энергии. Степень влияния прогресса на экономию энергии можно продемонстрировать на примере паровых машин. Как известно, КПД паровых машин 100 лет назад составлял 3-5%, а сейчас достигает 40%. Развитие мировой экономики после энергетического кризиса 70 годов также показало, что на этом пути у человечества есть значительные резервы. Применение ресурсосберегающих и энергосберегающих технологий обеспечило значительное сокращение потребления топлива и материалов в развитых странах.
  2. Развитие экологически более чистых видов производства энергии. Решить проблему, вероятно, способно развитие альтернативных видов энергетики, особенно базирующихся на использовании возобновляемых источников. Однако пути реализации данного направления пока не очевидны. Пока возобновимые источники дают не более 20 % общемирового потребления энергии. Основной вклад в эти 20% дают использование биомассы и гидроэнергетика.

Экологические проблемы традиционной энергетики

    Основная часть электроэнергии производится в настоящее время на тепловых электростанциях (ТЭС). Далее обычно идут гидроэлектростанции (ГЭС) и атомные электростанции (АЭС).

    1) Тепловые электростанции
   
В большинстве стран мира доля электроэнергии, вырабатываемой на ТЭС больше 50%. В качестве топлива на ТЭС обычно используются уголь, мазут, газ, сланцы. Ископаемое топливо относится к невозобновимым ресурсам. Согласно многим оценкам угля на планете хватит на 100-300 лет, нефти на 40-80 лет, природного газа на 50-120 лет.
    Коэффициент полезного действия ТЭС составляет в среднем 36-39%. Наряду с топливом ТЭС потребляет значительное количество воды. Типичная ТЭС мощностью 2 млн. кВт ежесуточно потребляет 18 000 т угля, 2500 т мазута, 150 000 м3 воды. На охлаждение отработанного пара на ТЭС используются ежесуточно 7 млн. м3 воды, что приводит к тепловому загрязнению водоема-охладителя.
    Для ТЭС характерно высокое радиационное и токсичное загрязнение окружающей среды. Это обусловлено тем, что обычный уголь, его зола содержат микропримеси урана и ряда токсичных элементов в значительно больших концентрациях, чем земная кора.
    При строительстве крупных ТЭС или их комплексов загрязнение еще более значительно. При этом могут возникать новые эффекты, например, обусловленные превышением скорости сжигания кислорода над скоростью его образования за счет фотосинтеза земных растений на данной территории, или вызванные увеличением концентрации углекислого газа в приземном слое.
    Из ископаемых источников топлива наиболее перспективным является уголь (его запасы огромны по сравнению с запасами нефти и газа). Основные мировые запасы угля сосредоточены в России, Китае и США. При этом основное количество энергии в настоящее время вырабатывается на ТЭС за счет использования нефтепродуктов. Таким образом, структура запасов ископаемого топлива не соответствует структуре его современного потребления при производстве энергии. В перспективе – переход на новую структуру потребления ископаемого топлива (угля) вызовет значительные экологические проблемы, материальные затраты и изменения во всей промышленности. Ряд стран уже начал структурную перестройку энергетики.


Рис.5.39. Дивногорская ГЭС.

    2) Гидроэлектростанции
   
Основные достоинства ГЭС – низкая себестоимость вырабатываемой электроэнергии, быстрая окупаемость (себестоимость примерно в 4 раза ниже, а окупаемость в 3-4 раза быстрее, чем на ТЭС), высокая маневренность, что очень важно в периоды пиковых нагрузок, возможность аккумуляции энергии.
    Но даже при полном использовании потенциала всех рек Земли можно обеспечить не более четверти современных потребностей человечества. В России используется менее 20 % гидроэнергетического потенциала. В развитых странах эффективность использования гидроресурсов в 2-3 раза выше, т.е. здесь у России есть определенные резервы. Однако сооружение ГЭС (особенно на равнинных реках) приводит ко многим экологическим проблемам. Водохранилища, необходимые для обеспечения равномерной работы ГЭС, вызывают изменения климата на прилегающих территориях на расстояниях до сотен километров, являются естественными накопителями загрязнений.
    В водохранилищах развиваются сине-зеленые водоросли, ускоряются процессы эфтрофикации, что приводит к ухудшению качества воды, нарушает функционирование экосистем. При строительстве водохранилищ нарушаются естественные нерестилища, происходит затопление плодородных земель, изменяется уровень подземных вод.
    Более перспективным является сооружение ГЭС на горных реках. Это обусловлено более высоким гидроэнергетическим потенциалом горных рек по сравнению с равнинными реками. При сооружении водохранилищ в горных районах не изымаются из землепользования большие площади плодородных земель.


Рис.5.40. Балаковская АЭС.

    3) Атомные электростанции
   
АЭС не вырабатывают углекислого газа, объем других загрязнений атмосферы по сравнению с ТЭС также мал. Количество радиоактивных веществ, образующихся в период эксплуатации АЭС, сравнительно невелико. В течение длительного времени АЭС представлялись как наиболее экологически чистый вид электростанций и как перспективная замена ТЭС, оказывающих влияние на глобальное потепление. Однако процесс безопасной эксплуатации АЭС еще не решен. С другой стороны, замена основной массы ТЭС на АЭС для устранения их вклада в загрязнение атмосферы в масштабе планеты не осуществима из-за огромных экономических затрат.
    Чернобыльская катастрофа привела к коренному изменению отношения населения к АЭС в регионах размещения станций или возможного их строительства. Поэтому перспектива развития атомной энергетики в ближайшие годы неясна. Среди основных проблем использования АЭС можно выделить следующие.
    1. Безопасность реакторов. Все современные типы реакторов ставят человечество под угрозу риска глобальной аварии, подобной Чернобыльской. Такая авария может произойти по вине конструкторов, из-за ошибки оператора или в результате террористического акта. Принцип внутренней самозащищенности активной зоны реактора в случае развития аварии по худшему сценарию с расплавлением активной зоны должен быть непреложным требованием при проектировании реакторов. Ядерная технология сложна. Потребовались годы анализа и накопленного опыта, чтобы просто осознать возможность возникновения некоторых типов аварий.
    Неопределенности в отношении безопасности никогда не будут полностью разрешены заранее. Большое их количество будет обнаружено только во время эксплуатации новых реакторов.
    3. Снижение эмиссии диоксида углерода. Считается, что вытеснение тепловых электростанций атомными поможет решить проблему снижения выбросов диоксида углерода, одного из главных парниковых газов, способствующих потеплению климата на планете. Однако, на самом деле, электростанции с комбинированным циклом на природном газе не только намного экономичнее, чем АЭС, но и при одних и тех же затратах достигается значительно большее снижение выбросов диоксида углерода, чем при использовании атомной энергии с учетом всего топливного цикла (потребление энергии при добыче и обогащении урана, изготовлении ядерного топлива и других затрат на «входе» и «выходе»).
    4. Снятие с эксплуатации реакторов на АЭС. К 2010 г. половина из работающих в мире АЭС имела возраст 25 лет и более. После этого предполагается процедура снятия с эксплуатации реакторов. По данным Всемирной ядерной ассоциации (WNA), более 130 промышленных ядерных установок уже выведены из эксплуатации, либо ожидают этой процедуры. И во всех случаях возникает проблема утилизации радиоактивных отходов, которые надо надежно изолировать и хранить длительный срок в специальных хранилищах. Многие эксперты считают, что эти расходы могут сравняться с расходами на строительство АЭС.
    5. Опасность использования АЭС для распространения ядерного оружия. Каждый реактор производит ежегодно плутоний в количестве, достаточном для создания нескольких атомных бомб. В отработавшем ядерном топливе (ОЯТ), которое регулярно выгружается из реакторов, содержится не только плутоний, но и целый набор опасных радиационных элементов. Поэтому МАГАТЭ старается держать под контролем весь цикл обращения с отработавшим ядерным топливом во всех странах, где работают АЭС.
    Примитивную атомную бомбу можно сделать из отработавшего ядерного топлива любой АЭС. Если для создания бомбы необходимы сложное производство, специальное оборудование и подготовленные специалисты, то для создания так называемых грязных ядерных взрывных устройств – все намного проще, и здесь опасность очень велика. При использовании такой «самоделки» ядерного взрыва, конечно, не будет, но будет сильное радиоактивное заражение. Такие устройства террористы и экстремисты могут изготовить самостоятельно, приобретя на ядерном черном рынке необходимые расщепляющие материалы. Такой рынок, как это ни прискорбно, существует, и атомная промышленность является потенциальным поставщиком таких материалов.

Эколого-экономическая характеристика основных возобновимых и альтернативных источников энергии

    Считается, что возобновимые источники энергии (ветровые, солнечные, геотермальные, волновые и др.), модульные станции на природном газе с использованием топливных элементов, утилизация сбросного тепла и отработанного пара, как и многое другое,– реальные пути защиты от изменения климата без создания новых угроз для ныне живущих и будущих поколений. Рассмотрим эти вопросы более подробно.

    1) Прямое использование солнечной энергии
   
Мощность солнечной радиации, поглощенной атмосферой и земной поверхностью, составляют 105 ТВт (1017 Вт). Эта величина кажется огромной по сравнению с современным мировым энергопотреблением, равным 10 ТВт. Поэтому ее считают наиболее перспективным видом нетрадиционной (альтернативной) энергетики.
    К основным методам преобразования солнечной энергии относятся, прежде всего, методы прямого использования солнечной энергии – фотоэлектрическое преобразование и термодинамический цикл, а также биоконверсия.
    Фотоэлектрический метод
преобразования солнечной энергии основан на особенностях взаимодействия полупроводниковых материалов со световым излучением. В фотоэлектрическом преобразователе свободные носители образуются в результате поглощения светового кванта полупроводником, разделение зарядов производится под действием электрического поля, возникающего внутри полупроводника. Теоретически КПД преобразователя может достигать 28%.
    Низкая плотность солнечного излучения является одним из препятствий его широкого использования. Для устранения этого недостатка при конструировании фотоэлектрических преобразователей используются различного рода концентраторы излучения. Главные преимущества фотоэлектрических установок заключается в том, что они не имеют движущихся частей, их конструкция очень проста, производство – тех­нологично. К их недостаткам можно отнести разрушение полупроводникового материала от времени, зависимость эффективности работы системы от ее запыленности, необходимость разработки сложных методов очистки батарей от загрязнения. Все это ограничивает срок службы фотоэлектрических преобразователей.
    Гибридные станции, состоящие из фотоэлектрических преобразователей и дизельных генераторов, уже широко используются для электроснабжения на территориях, где нет распределительных электрических сетей. Например, система такого типа обеспечивает электроэнергией жителей Кокосового острова, расположенного в Торресовом проливе.


Рис.5.41. Схема термодинамического преобразователя солнечной энергии: а – схема с теплообменником, б – схема без теплообменника.

   Энергию получают из солнечной энергии методом термодинамического преобразования практически так же как из других источников. Однако такие особенности солнечного излучения как низкая мощность, суточная и сезонная изменчивость, зависимость от погодных условий, накладывают определенные ограничения на конструкцию термодинамических преобразователей.
    Обычный термодинамический преобразователь солнечной энергии содержит (рис.5.41) систему улавливания солнечной радиации, которая предназначена частично скомпенсировать низкую плотность солнечного излучения; приемную систему, которая преобразует солнечную энергию в энергию теплоносителя; систему переноса теплоносителя от приемника к аккумулятору или к теплообменнику; тепловой аккумулятор, который обеспечивает смягчение зависимости от суточной изменчивости и погодных условий; теплообменники, образующие нагревательный и охладительный источники тепловой машины.
    Для среднетемпературного аккумулирования (от 100 до 5500С) используются гидраты оксидов щелочноземельных металлов. Высокотемпературное аккумулирование (температура выше 5500С) осуществляется с помощью обратимых экзо-эндотермических реакций.
    В настоящее время идеи термодинамического преобразования реализуются в схемах двух типов: гелиостаты башенного типа и станции с распределенным приемником энергии.
    На гелиостанции башенного типа энергия от каждого гелиостата передается оптическим способом. Управление гелиостатами осуществляет ЭВМ. До 80% стоимости станции составляет стоимость гелиостатов. Система сбора и передачи энергии в установках башенного типа оказывается очень дорогой. Поэтому такие установки не получили широкого распространения. В Мексике, США, работают установки такого типа мощностью 10 Мвт.
    Станции с распределенными приемниками солнечной энергии оказались более перспективными. Концентраторы параболического типа, вращающиеся вокруг оси, передают энергию трубчатым приемникам, находящимся на фокальной линии. В качестве теплоносителя обычно используется масло. Нерешенной проблемой в гелиостанциях является вопрос о длительном хранении электроэнергии. Правда следует отметить, что этот вопрос не решен не только в солнечной энергетике, но и вообще в энергетике.


Рис. 5.42. Динамика суммарных установленных мощностей солнечных модулей по регионам мира за 2000-2009 гг.

   Более широкому внедрению солнечной энергетики пока препятствует более высокая стоимость производства на солнечных электростанциях по сравнению с традиционными источниками энергии. Солнечная энергетика имеет особенности, которые существенно затрудняют ее широкое использование. Это, прежде всего низкая плотность потока энергии и ее непостоянство, т.к. интенсивность солнечного излучения зависит от времени года, суток и метеоусловий. Тем не менее, в настоящее время, наблюдается тенденция значительного роста, как вводимых мощностей, так и инвестиций в данную отрасль по всему миру. В 2008-2009 гг. новые инвестиции превысили половину всех инвестиций в общее производство энергии. В 2010 г. впервые прирост мощностей, основанных на возобновляемых источниках энергии, превысил ввод в действие мощностей традиционных. По показателям имеющихся мощностей и инвестиций по многим параметрам лидируют Китай, США, Германия, Индия и Бразилия. На фоне этого российская цель – 1.5 % к 2010 г. и 4.5 % ВИЭ в производстве электроэнергии к 2020 г. – выглядит очень скромно.
    Кроме того, использование энергии солнца предполагает обязательное наличие накопителей электроэнергии достаточной емкости. Как правило, это обычные аккумуляторы. Поэтому, если рассматривать солнечную энергетику полного цикла (с учетом производства датчиков-преобразователей солнечной энергии и, особенно, аккумуляторных батарей), то суммарное влияние такой энергетики на загрязнение окружающего пространства оказывается не таким уж и незначительным.

    2) Биоконверсия солнечной энергии
    Биомасса, как источник энергии, используется с древнейших времен. В процессе фотосинтеза солнечная энергия запасается в виде химической энергии в зеленой массе растений. Запасенная в биомассе энергия может быть использована в виде пищи человеком или животными или для получения энергии в быту и производстве. В настоящее время до 15% энергии в мире производится из биомассы.
    Самый древний, и еще широко применяемый, способ получения энергии из биомассы заключается в ее сжигании. В сельской местности до 85% энергии получают этим способом. Как топливо, биомасса имеет ряд преимуществ перед ископаемым топливом. Прежде всего – это возобновимый источник энергии. При сжигании биомассы выделяется в 10-20 раз меньше серы и в 3-5 раз меньше золы, чем при сжигании угля. Количество углекислого газа, выделившегося при сжигании биомассы, равно количеству углекислого газа, затраченного в процессе фотосинтеза.
    Энергию биомассы можно получать из специальных сельскохозяйственных культур. Например, в субтропическом поясе России предлагается выращивать карликовые породы быстрорастущего вида папайи. С одного гектара за 6 месяцев на опытных участках получают более 5 т биомассы по сухому весу, которую можно использовать для получения биогаза. К перспективным видам относятся быстрорастущие деревья, растения, богатые углеводами, которые применяются для получения этилового спирта (например, сахарный тростник). В США разработан способ производства спирта из кукурузы, в Италии ведутся работы над разработкой способа рентабельного производства спирта из сорго. Около 200 автобусов в Стокгольме уже работают на спирте.


Рис.5.43. Водорослевая плантация в тепличном комплексе.

    Широко распространенный способ получения энергии из биомассы заключается в получении биогаза путем анаэробного перебраживания. Такой газ содержит около 70% метана. Биометаногенез был открыт еще в 1776 году Вольтой, который обнаружил содержание метана в болотном газе. Биогаз позволяет использовать газовые турбины, являющиеся самыми современными средствами теплоэнергетики. Для производства биогаза используются органические отходы сельского хозяйства и промышленности. Это направление является одним из перспективных и многообещающих способов решения проблемы энергообеспечения сельских районов. Например, из 300 т сухого вещества навоза, превращенного в биогаз, выход энергии составляет около 30 т нефтяного эквивалента.
    Биомассу для последующего получения биогаза, можно выращивать в водной среде, культивируя водоросли и микроводоросли. Во многих научных лабораториях, например в Лаборатории возобновляемых источников энергии МГУ им. М. В. Ломоносова, сейчас занимаются разработкой технологий выращивания микроводорослей для биоконверсии солнечной энергии.

    3) Волновая энергетика
    Волновая электростанция
– установка, расположенная в водной среде, целью которой является получение электричества из кинетической энергии волн.
    В последнее время пристальное внимание ученых и конструкторов привлекает использование различных видов энергии Мирового океана. Построены первые приливные электростанции. Разрабатываются методы использования тепловой энергии океана, связанной, например, со значительной разницей температур поверхностного и глубинного слоев океана, достигающей в тропических областях 20°С и более. В настоящее время накоплен значительный объем инструментальных измерений ветрового волнения в Мировом океане. На основе этих данных волновая климатология определяет районы с наиболее интенсивным и постоянным волнением.


Рис.5.44. Конвертеры волновой энергии первой в мире волновой электростанции Pelamis P-750 (Португалия).

   Первая заявка на патент волновой электростанции была подана в Париже в 1799 г. Уже в 1890 г. была предпринята первая попытка практического использования энергии волн, хотя первая волновая электростанция мощностью 2,25 МВт вошла в коммерческую эксплуатацию только в 2008 г. в районе Агусадора (Португалия) на расстоянии 5 км от берега (рис. 5.44). Проект электростанции принадлежит шотландской компании Pelamis Wave Power, которая в 2005 г. заключила контракт с португальской энергетической компанией Enersis на строительство волновой электростанции. Стоимость контракта составила 8 млн. евро. В 2009 г. волновая электростанция была введена в эксплуатацию на Оркнейских островах. В Великобритании строится волновая электростанция мощностью в 20 МВт. Строят такие электростанции и некоторые другие прибрежные государства.
    В большинстве проектов волновых электростанций предполагается использовать двухступенчатую схему преобразования. На первом этапе осуществляется передача энергии от волны к телу-поглотителю и решается задача концентрирования волновой энергии. На втором этапе поглощенная энергия преобразуется в вид, удобный для потребления. Существует три основных типа проектов по извлечению волновой энергии. В первом используется метод повышения концентрации волновой энергии и превращения ее в потенциальную энергию воды. Во втором – тело с несколькими степенями свободы находится у поверхности воды. Волновые силы, действующие на тело, передают ему часть волновой энергии. Основным недостатком такого проекта является уязвимость тела, находящегося под действием волн. В третьем типе проектов, система, поглощающая энергию, находится под водой. Передача волновой энергии происходит под действием волнового давления или скорости.
    В ряде волновых установок для повышения эффективности плотность волновой энергии искусственно повышается. Изменяя рельеф дна в прибрежной зоне, можно сконцентрировать морские волны по­добно линзе, фокусирующей световые волны. Если сфокусировать волны с побережья длиной в несколько километров на фронте в 500 м, то высота волны может достигнуть 30 м. Попадая в специальные сооружения, вода поднимается на высоту в 100 м. Энергия поднятой воды может быть использована для работы гидроэлектростанции, распо­ложенной на уровне океана. Волновая электростанция подобного типа используется для обеспечения электроэнергией острова Маврикий, не имеющего традиционных источников энергии.
    Ряд устройств по преобразованию волновой энергии использует различные свойства волновых движений: периодические изменения уровня водной поверхности, волнового давления или волновой скорос­ти. Процент использования волновой энергии достигает 40 %. Электроэнергия передается на берег по кабелю. В Японии создан промышленный образец такой системы, имеющей 9 турбин общей мощностью в 2 МВт.
    Сила, с которой волны воздействуют на сооружения в береговой зоне, достигает нескольких тонн на квадратный метр. Это силовое воздействие тоже может быть использовано для преобразования волновой энергии.
    Волновая энергетика не использует ископаемое топливо, стоимость которого непрерывно растет, а запасы ограничены. Перед волновой энергетикой не стоит в острой форме проблема воздействия на окружающую среду. Однако в настоящее время производство 1 кВт электроэнергии на волновых электростанциях в 5-10 раз выше, чем на АЭС или ТЭС. Кроме того, если значительная часть акватории будет покрыта волновыми преобразователями, это может привести к неприятным экологическим последствиям, так как волны играют важную роль в газообмене атмосферы и океана, в очистке поверхности моря и приводного слоя воздушного потока от загрязнения.
    Поэтому волновую энергетику следует рассматривать только как дополнительный к традиционным источник энергии, который может иметь значение только в некоторых районах мира.

    4) Приливные электростанции
    В прибрежной зоне приливные волны проявляются в периодическом подъеме и опускании уровня. В узостях приливы часто проявляются в виде мощных течений. В некоторых местах высота прилива достигает значительной величины – 12-20 м. Энергия приливных волн огромна.


Рис.5.45. Приливная электростанция «Аннапорлис» (Канада).

    Человек уже давно начал использовать энергию приливов. Так, приливные мельницы использовались в 15 веке в Англии, были широко распространены на северо-восточном побережье Канады в 17 веке.
    Для концентрации водного напора на станции плотина отделяет часть акватории. В теле плотины размещаются гидрогенераторы, водопропускные сооружения, здание станции. Величина напора зависит от колебаний уровня по обе стороны плотины. Колебания во внешнем бассейне определяются местным приливом, колебания во внутреннем бассейне определяются расходами воды при работе станции. Приливные станции относятся к низконапорным гидротехническим сооружениям, в которых водяной напор не более 15-20 м.
    Первая в мире приливная гидроэлектростанция мощностью 320 МВт была запущена в 1966 г. устье реки Ранс (Франция). Первая приливная электростанция в нашей стране, имеющая два гидроагрегата по 400 кВт каждый, была построена в Кислой губе на Баренцевом море в 1968 г. Несколько приливных станций проектируется и уже построено в заливе Фанди, который характеризуется самыми высокими приливами в мире. Опыт строительства и эксплуатации подобных станций показал, что они экономически оправданы, и издержки их эксплуатации гораздо ниже, чем при эксплуатации обычных ГЭС. Наиболее развитым в мире рынком электроэнергии, выработанной посредством волн и приливов, является Шотландия, где установлены самые большие приливные турбины.


Рис.5.46. Кислогубская ПЭС (СССР), вид с моря, 1968 год.

    Использование энергии приливов ограничивается, в основном, высокой стоимостью сооружения. Кроме того, как оказалось, приливные станции характеризуются отрицательным влиянием на окружающую среду. Сооружение плотины приведет к увеличению амплитуды прилива. Даже небольшое повышение амплитуды прилива вызовет значительное изменение распределение грунтовых вод в береговой зоне, увеличит зону затопления, нарушит циркуляцию водных масс, изменит ледовый режим в части бассейна за плотиной и т.д.
    Сооружение плотины должно вызвать и важные биологические последствия. В бассейне за плотиной работа станции будет оказывать воздействие на литораль (зона между наивысшей точкой затопления во время прилива и нижней, обнажающейся при отливе). Плотина может оказать вредное воздействие не только на местные сообщества, но и на мигрирующие виды. Например, по оценкам биологов строительство плотины в Пенжинской губе Охотского моря нанесет непоправимый вред популяции охотоморской сельди. При строительстве плотин в зоне умеренного климата возможно образование зоны сероводородного заражения, подобной тем, которые наблюдаются в заливах и бухтах, имеющих естественные пороги. Фиорды Скандинавского полуострова, имеющие естественный порог, представляют собой классический пример такого естественного сероводородного заражения.

    5) Градиент-температурная энергетика
   
Данный способ получения энергии основан на разности температур. Не слишком распространен. Посредством него можно получать достаточно большое количество энергии при небольшой ее себестоимости. Наибольшее число градиент-температурных электростанций располагается на морском побережье и для работы использует морскую воду. Почти 70% солнечной энергии поглощает мировой океан. Перепад же температур между водами на глубине в сотни метров и водами на поверхности океана – огромный источник энергии, который оценивается в 20-40 тыс. ТВт, из них можно использовать только 4 ТВт.
    Недостатки: выделение большого числа углекислоты, нагрев и снижение давления глубинных вод, и остывание поверхностных вод. Данные процессы негативно влияют на климат, флору и фауну региона.
    В настоящее время разрабатывается новая концепция таких энергетических установок, которая даёт основания ожидать от теплоэнергетического модуля эффективной работы не только в наиболее прогретой части тропического океана, но и по всей акватории, где средний градиент температуры составляет примерно 17ºС. Ожидается, что КПД будет отличным от нуля даже при разности температур, стремящейся к нулю. По предварительным расчётам расходы на строительство такой гидроэлектростанции вполне соотносятся с расходами на традиционную ГЭС.


Рис. 5.47. Ветровые электростанции.
    6) Ветровая энергетика
    Человечество давно использует энергию ветра. Парусные суда – основной вид транспорта, который в течении столетий обеспечивал связь людей различных континентов, представляют наиболее яркий пример использования ветровой энергии.
    Другой, хорошо известный пример эффективного использования ветровой энергии, – ветряные мельницы. Ветряки широко использовались для откачки воды из колодцев. В конце прошлого века наступил новый этап использования ветровых установок – они начали применяться для выработки электроэнергии. В тридцатые годы нашего века миллионы ветровых электрогенераторов мощностью около 1 кВт использовались в сельской местности Европы, Америки, Азии. По мере развития центрального электроснабжения распространение ветровых электрогенераторов резко упало. С ростом стоимости ископаемого топлива и осознания экологических последствий его применения надежды многих исследователей опять стали связываться с ветровой энергетикой.
    Действительно ветровой потенциал огромен – около 2000 ТВт составляет мощность ветрового потока в атмосфере. Использование даже небольшой части этой мощности привело бы к решению энергетических проблем человечества.
    Ветровая энергетика не потребляет ископаемое топливо, не использует воду для охлаждения и не вызывает теплового загрязнения водоемов, не загрязняет атмосферу. И, тем не менее, ветровые электрогенераторы имеют широкий спектр отрицательных экологических последствий, выявленных только после того, как в 1970 годы начался период возрождения ветровой энергетики.
    Главные недостатки ветровой энергетики – низкая энергетическая плотность, сильная изменчивость в зависимости от погодных условий, ярко выраженная географическая неравномерность распределения ветровой энергии. Обычно рабочий диапазон скоростей ветра крупных ветровых установок составляет от 5 до 15 м/с. При скорости ветра меньшей 5 м/с эффективность работы установки падает, при скоростях ветра больших 15 м/с велика вероятность поломки конструкции, прежде всего лопастей. Размещение генераторов на больших высотах (там, где больше скорость) выдвигает повышенные требования к прочности конструкции высотных мачт, которые должны обеспечивать удержание при мощной ветровой нагрузке ротора, коробки передач и генератора. Разработка и создание более надежных конструкций значительно удорожает стоимость ветровых установок, хотя себестоимость ветровой электроэнергии примерно в 1.5-2 раза ниже себестоимости электроэнергии, полученной в фотоэлектрических преобразователях.
    Еще одной важной проблемой использования ветровых генераторов являются сильные вибрации их несущих частей, которые передаются в грунт. Значительная часть звуковой энергии приходится на инфразвуковой диапазон, для которого характерно отрицательное воздействие на организм человека и многих животных.
    Так как скорость вращения лопастей ветровых генераторов близка к частоте синхронизации телевидения ряда стран, то работа ветровых генераторов нарушает прием телепередач в радиусе 1-2 км от генератора. Ветровые генераторы являются также источниками радиопомех. Вращение лопастей ветровых генераторов губит птиц. Так как обычно ветровые установки располагаются в больших количествах в районах сильных ветров (хребты, морское побережье), то они могут приводить к нарушению миграции перелетных птиц. Модуляция ветрового потока лопастями создает некоторое подобие регулярных структур в воздухе, которые мешают ориентации насекомых. В Бельгии установили, что это приводит к нарушению устойчивости экосистем полей, расположенных в зоне ветровых установок, в частности наблюдается падение урожайности.
    Наконец, ветровая энергетика требует больших площадей для размещения установок. Поэтому системы ветровых установок стараются размещать в безлюдной местности, что в свою очередь удорожает стоимость передачи энергии.
    В настоящее время в мире начался период перехода от исследовательских работ в области ветровой энергетики к их широкому внедрению. Темпы развития ветровой энергетики в таких странах как США, Бельгия, Великобритания, Норвегия, имеющих высокий ветроэнергетический потенциал, остаются очень высокими.

7) Геотермальная энергетика

Геотермальная энергия – это энергия, внутренних областей Земли, запасенная в горячей воде или водяном паре. В 1966 г. на Камчатке в долине реки Паужетка была пущена первая в СССР геотермальная тепловая станция мощностью 1,1 МВт. В отдаленных районах стоимость энергии, получаемой на геотермальных станциях, оказывается ниже стоимости энергии, получаемой из привозного топлива. Геотермальные станции успешно функционирует в ряде стран – Италии, Исландии, США. Первая в мире геотермальная электростанция была построена в 1904 г. в Италии. Геотермальная энергия в Исландии начала использоваться в 1944 г. Однако интерес и использование геотермальной энергии резко выросли в 60-70 годы.

Рис.5.48. Схемы получения энергии за счет геотермальных ресурсов: А — использование сухого пара, Б — использование горячей воды, В — использование горячей воды путем нагревания рабочей жидкости.

    В США в Калифорнии в начале 90 годов действовало около 30 станций общей мощностью 2400 МВт. Пар для этих станций извлекался с глубин от 300 до 3000 м. В этом штате США за 30 лет мощность геотермальных станций возросла почти в 200 раз. Таковы темпы развития геотермальной энергетики. Наиболее доступна геотермальная энергетика в зонах повышенной вулканической деятельности и землетрясений. Такая привязка к определенным районам является одним из недостатков геотермальной энергетики. Гейзеры – это хорошо известная форма поступления на поверхность Земли горячей воды и пара. По оценке Геологического управления США разведанные источники геотермальной энергии могли бы дать 5-6% современного потребления электроэнергии в стране. Оценка перспективных источников дает величину примерно в 10 раз большую. Однако эксплуатация некоторых этих источников пока нерентабельна. Наряду с этими ресурсами, которые могут быть использованы для выработки электроэнергии, в еще большем количестве имеется вода с температурой 90-1500С, которая пригодна как источник тепла для обогрева. В перспективе для извлечения энергии из недр Земли можно использовать не только запасы горячей воды и пара, но и тепло сухих горных пород (такие области сухих горных пород с температурой около 3000С встречаются значительно чаще, чем водоносные горячие породы), а также энергию магматических очагов, которые в некоторых районах расположены на глубинах в несколько километров.
    Наиболее оптимальная форма – сухой пар. Прямое использование смеси пара и воды невозможно, т.к. геотермальная вода содержит обычно большое количество солей, вызывающих коррозию, и капли воды в паре могут повредить турбину. Наиболее частая форма поступления энергии – просто в виде горячей воды, прежде всего для получения тепла. Эта вода может быть использована также для получения пара рабочей жидкости, имеющей более низкую температуру кипения, чем вода. Так как геотермальный пар и вода имеют сравнительно низкую температуру и давление, КПД геотермальных станций не превышает 20%, что значительно ниже атомных (30%) и тепловых работающих на ископаемом топливе (40%).
    Использование геотермальной энергии имеет и отрицательные экологические последствия. Строительство геотермальных станций нарушает «работу» гейзеров. Для конденсации пара на геотермальных станциях используется большое количество охлаждающей воды, поэтому геотермальные станции являются источниками теплового загрязнения. При одинаковой мощности с ТЭС или АЭС геотермальная электростанция потребляет для охлаждения значительно большее количество воды, т.к. ее КПД ниже. Сброс сильно минерализованной геотермальной воды в поверхностные водоемы может привести к нарушению их экосистем. В геотермальных вода в больших количествах содержится сероводород и радон, который вызывает радиоактивные загрязнения окружающей среды.


Особенности режимных тренажеров диспетчера энергосистем, разработанных в России, Европе и США

Загрузить статью в pdf

Авторы: Тян Р.Л., заместитель начальника отдела прикладных систем ЗАО «Монитор электрик», Будовский В.П., доктор техн. наук, Северо-Кавказский федеральный университет, г.СтавропольЗАО «Монитор электрик» .

Опубликовано: Ежемесячный производственно-массовый журнал «Энергетик» № 9.  — 2013. — С. 47-51.

Рассмотрены основные характеристики ряда отечественных и зарубежных тренажеров диспетчерского персонала электроэнергетических систем. Приведены используемые ими методы расчета установившихся и переходных режимов.

Введение

Развитие электроэнергетики и лавинообразный рост вычислительной мощности ЭВМ конца двадцатого века создал предпосылки к появлению специального типа программного обеспечения под названием «режимный тренажер диспетчера энергосистем» или «режимный тренажер диспетчера» (РТД).
Назначением этого программного обеспечения является моделирование переходных процессов различной интенсивности, протекающих в электроэнергетической системе, в целях обучения и/или тренировки оперативно-диспетчерского персонала диспетчерских центров. Требования к качеству моделирования в РТД зависит от широкого ряда факторов, в том числе и от вычислительных возможностей используемых ЭВМ, а так же функциональных обязанностей оперативно-диспетчерского персонала.
В настоящей статье сделана попытка сопоставить функциональность указанного типа тренажёров, которые нашли применение в России и за рубежом.
Режимные тренажеры можно классифицировать по многим признакам. Однако наиболее характерными являются: состав моделируемого оборудования и процессов, методология и программные средства поддержки процесса тренировки, информационная платформа.
В РТД, как правило, не учитывают быстротечные электромагнитные процессы в сети, характерные, например, для начальных этапов коротких замыканий. Не учитываются и волновые процессы. Принято учитывать те процессы, которые может наблюдать и на которые в состоянии оказать влияние диспетчер. Быстро протекающие процессы учитываются лишь тогда, когда отказ от их учёта делает модель несостоятельной или (что реже) усложняет модель.
Можно выделить три группы процессов, каждый из которых характеризуется своим характерным частотным спектром.
Электромагнитные переходные процессы, связаны с магнитными контурами электрических машин (трансформаторов, синхронных генераторов, компенсаторов и электродвигателей). Эти переходные процессы характеризуются постоянными времени меньше 5 мс.
Электромеханические переходные процессы со спектром частот от 0.5–10Гц. Поведение ЭЭС на этих частотах определяется в основном вращающимися массами роторов первичных двигателей и электрических машин, электромагнитными цепями электрических машин, системами возбуждения генераторов.
Медленные процессы в гидро- и теплосиловом оборудовании. Характерное время отклика оборудования этого типа – единицы и десятки секунд.
Сверхмедленные процессы. Они характерны для ЦАРЧМ, динамики сработки водохранилищ. Эти процессы могут растягиваться на долгие минуты.
Ключевым звеном для РТД является математическая модель: от того какие явления, процессы она учитывает, зависит вычислительная производительность и трудоёмкость инжиниринга данных.

Режимные тренажеры России

Рассмотрим, находящиеся в эксплуатации на постсоветском пространстве, РТД «Феникс», ПК «Ретрен», РТД «Финист».
Характерной особенностью этих тренажеров является тот факт, что основной акцент в инструментарии и методологии поставлен на тренировке диспетчерского персонала и поддержании его должной квалификации. Это связано со спецификой диспетчерского управления в России и странах ближнего зарубежья. Роль и ответственность диспетчера здесь чрезвычайно высока, что делает необходимым и актуальным высокую квалификацию диспетчерского персонала и ее поддержание на этом уровне.
Специфика российского подхода к обучению и тренировке диспетчерского персонала делает приоритетными следующие требования к РТД:

  • Режимный тренажер должен эксплуатироваться на модели энергосистемы диспетчерского центра.
  • Работа в режиме тренировки должна в максимальной степени походить на каждодневную работу диспетчерского персонала.
  • Наличие возможности моделировать широкое видовое разнообразие аварий высокой сложности.

В РТД данной группы можно выделить ряд общего моделируемого оборудования и некоторый общий функционал:

  • Двух-обмоточные трансформаторы, не включая фазосдвигающие трансформаторы.
  • Высоковольтные линии электропередач.
  • Коммутационные аппараты.
  • Потребители должны описываться статическими характеристиками по напряжению и частоте.
  • Первичный двигатель.
  • Синхронный генератор, как минимум, с обобщённым регулятором возбуждения.
  • Неуправляемые шунтирующие реакторы и БСК.
  • Универсальные автоматики с логическими условиями пуска.
  • Поддержка сценариев.

А также сравнительно просто выделяется общий спектр моделируемых переходных процессов:

  • Электромагнитные с постоянными времени меньше 5,
  • Электромеханические,
  • Длительные и сверхдлительные.

По мнению авторов, эти списки являются некоей программой минимумом, реализовать которую должны все РТД, пригодные для промышленной эксплуатации

Режимный тренажер диспетчера «Феникс»

РТД «Феникс» [1] предназначен для проведения противоаварийных тренировок оперативного персонала объединений энергосистем, энергосистем и электрических сетей. Данный тренажер был разработан Сибирским филиалом ГВЦ Энергетики в 90-х годах прошлого века.
РТД «Феникс» моделирует необходимые переходные процессы, однако электромеханические моделируются качественно.
Для решения дифференциальных уравнений, применён метод Рунге-Кутты 2-го порядка точности с постоянным шагом интегрирования. Для решения проблем численной устойчивости в РТД «Феникс» есть возможность задания пользователем размера шага интегрирования в пределах 0.01–0.5c.
Для ускорения расчётов на этапах длительных переходных процессов система уравнений упрощается, шаг интегрирования увеличивается на порядок, и примерно во столько же раз снижается трудоёмкость расчётов на фиксированном интервале времени.
Для расчёта потокораспределения во время начальной балансировке режима применяется комбинация методов Зейделя и метода квазиньютоновской процедуры, матрица Якоби которой не учитывает зависимость небалансов активной мощности от уровней напряжения, а реактивной мощности – от фаз напряжения (fast decoupled loadflow), а по ходу тренировки используется только метод Зейделя. Расчет потокораспределения ведется в форме баланса мощностей. Несимметричные режимы тренажёр не воспроизводит.
Моделируемое оборудование и некоторый функционал отличные от минимального списка:

  • Потребитель. Потребители описываются статическими характеристиками по напряжению и частоте. Однако, отсутствует возможность задать отдельные статические характеристики для разных потребителей.
  • Коммутационные аппараты. Только выключатели.
  • Всего одна универсальная модель первичного двигателя.

Технологический предел расчетного модуля РТД «Феникс» — схемы размерностью 1500-2000 расчетных узлов. Технологический предел графической системы отображения – схемы коммутационного уровня суммарной размерностью 15000-20000 шин.
При расчете нет возможности использования нескольких ядер процессора.
РТД «Феникс» имеет собственную систему отображения и может устанавливаться как самостоятельный комплекс. Также в комплекс входит интерфейс для подготовки исходных данных, интерфейс управления тренировкой и интерфейс для редактирования исходных данных.
Формат хранения данных оборудования – собственный.
Для интеграции со сторонними системами отображения РТД «Феникс» использует свой собственный протокол, основанный на файловом способе хранения.
С 2000 по 2005 г. РТД «Феникс» эксплуатировался в более чем 60 центрах диспетчерского управления компании ОАО «СО ЕЭС».
В настоящее время этот комплекс эксплуатируется в нескольких филиалах компании ОАО «ФСК ЕЭС».

Программный комплекс «Ретрен»

Комплекс разработан НТЦ «Электроэнергетики» [2,3] как интегрированная многофункциональная система, решающая ряд важных задач оперативного управления режимом энергообъединения в масштабе реального времени. К ним относятся задачи обучения оперативно-диспетчерского персонала, оценки тяжести текущего режима, проверки надежности режимов ЭЭС и энергообъединений при выводе в ремонт основного оборудования, проверки возможных действий оперативного персонала и ряд других.
Решение системы дифференциальных уравнений проводится с применением неявной схемы интегрирования. На каждом шаге интегрирования решается нелинейная система уравнений сети в форме баланса токов. Эта система решается итерационно, причем на каждой итерации система уравнений сети линеаризуется для решения методом Гаусса с треугольной факторизацией матрицы проводимости. При решении уравнений сети в матрицу проводимости, перед факторизацией (после любой коммутации), в диагональные элементы матрицы вносятся поправочные коэффициенты, которые затем учитываются в векторе токов. Несимметричные режимы тренажёр не воспроизводит.
Моделируемое оборудование и некоторый функционал отличные от минимального списка:

  • Потребитель. Присутствуют модели синхронных и асинхронных двигателей. Есть возможность задания случайной компоненты нагрузки.
  • Первичный двигатель. Турбины для регулируемого и нерегулируемого котлов.
  • Котел. Регулируемый, нерегулируемый.
  • АРЧМ.
  • Поддержка режимных ограничений и сигнализация при их нарушении.

Заявленный предел расчетного модуля ПК «Ретрен», при расчете в режиме реального времени — схемы размерностью 1000-1500 расчетных узлов. При расчете отсутствует возможность использовать несколько ядер процессора.
ПК «Ретрен» имеет собственную систему отображения и может устанавливаться как самостоятельный комплекс.
Формат хранения данных по оборудованию – собственный.
Интеграция со сторонними системами отображения только по собственному протоколу.
В настоящее время этот комплекс используется в нескольких филиалах компании ОАО «ФСК ЕЭС».

Режимный тренажер диспетчера «Финист»

Режимный тренажер диспетчера «Финист» [2-9] компании ЗАО «Монитор Электрик» представляет собой многофункциональный программный комплекс, предназначенный для подготовки оперативно-диспетчерского персонала электроэнергетических систем. В основу РТД «Финист» положена динамическая модель ЭЭС. Считается, что все элементы обладают пофазной симметрией, и поэтому расчёты ведутся для прямой последовательности.
Для решения системы дифференциальных уравнений используется явные методы Рунге-Кутты и явный метод предиктор-корректор переменного порядка, основанный на методе Адамса и учитывающий жёсткость уравнений [9]. Шаг интегрирования в модели быстрой динамики – 17 мс, медленной динамики – переменный от 34 до 200 мс.
Дифференциальные и алгебраические уравнения решаются поочерёдно. При этом решение алгебраических уравнений эквивалентно расчёту режима в сети.
В РТД «Финист» применяется подход, при котором для моделирования разных типов переходных процессов используется различные динамические модели [7]. Если процессы протекают вяло, то взаимными качаниями роторов синхронных машин можно пренебречь, считая ускорение и скорости всех машин едиными в каждой из синхронных зон. Для воссоздания перед диспетчером поведения энергосистемы при спокойном развитии событий можно отказаться и от описания динамики регулирования возбуждения синхронных машин. Эти процессы быстротечны, и можно считать, что характеризующие их переменные успевают меняться синхронно с медленными процессами изменения частоты, состояния первичных двигателей и систем управления расходом энергоносителя в них. Когда же переходные процессы интенсивны, эти упрощения неприемлемы.
В то же время, учёт и индивидуальных скоростей роторов и процессов в системах возбуждения резко увеличивают вычислительную сложность задачи, что может приводить к невозможности моделирования в реальном темпе процессов в системе, содержащей несколько тысяч расчетных узлов. Это делает необходимым использование в тренажёре одновременно двух моделей: упрощенной, где это возможно, и полной, когда без неё нельзя.
В упрощенной модели (для длительных переходных процессов) нелинейные уравнения режима в форме баланса мощностей решаются с заданной точностью на каждом шаге интегрирования. При этом строго учитываются режимные ограничения генерирующих узлов по реактивной мощности, статические тиристорные компенсаторы и статические характеристики нагрузки. Для решения используется метод Ньютона-Гаусса в специализированной системе координат [6], представляющую собой разновидность полярных координат.
В полной динамической модели (в интенсивных переходных процессах) на каждом шаге интегрирования нелинейные уравнения режима в форме баланса токов решаются Z-методом с частичным учётом проводимости нагрузки в матрице узловых проводимостей [7].
Несимметричные режимы тренажёр не воспроизводит.
Отличия в видах моделируемого оборудования от рассмотренных выше РТД:

  • Многообмоточные трансформаторы, в том числе и фазосдвигающие.
  • Коммутационные аппараты, в том числе выключатели и разъединители.
  • Заземляющие ножи.
  • Потребители. Есть возможность учесть индивидуальные статические характеристики, случайную составляющую (как и в Ретрене), и графиков потребления, плавный набор мощности по команде, экспоненциальный набор мощности по мере «разогрева».
  • Собственные нужды электростанций.
  • Гидроэлектростанции, в том числе и гидроаккумулирующие. Водохранилища.
  • Тепловые электростанции.
  • Атомные электростанции.
  • Энергоблоки ТЭС, ГЭС, АЭС.
  • Котлы. Регулируемые, нерегулируемые.
  • Газотурбинные установки.
  • Синхронные генераторы с возможностью задания PQ-диаграмм.
  • ЦАРЧМ.
  • Коммутируемые ШР и БСК. Статические тиристорные компенсаторы.
  • Дорасчеты, в том числе и небаланса с коррекцией по частоте для области регулирования.
  • Поддержка сценариев, включая средства их создания из протокола тренировки.
  • Поддержка широкого списка противоаварийных автоматик.
  • Поддержка режимных ограничений и сигнализация при их нарушении.
  • Поддержка межуровневых тренировок для использования в иерархических компаниях-операторах.
  • Поддержка мобильно реконфигурируемого класса для проведения обучения, а не тренировок.

Заявленный технологический предел расчетного модуля 10000 расчетных узлов. Расчетный модуль адаптирован для использования многопроцессорных систем.
РТД «Финист» имеет собственную систему отображения и подготовки данных, что дает ему возможность устанавливаться как самостоятельный комплекс.
Формат хранения данных по оборудованию – CIM (IEC61970-IEC61968). Интеграция со сторонними системами по протоколам IEC61970-404 (HSDA), IEC870-5-104, IEC61970-403 (GDA).
В настоящее время комплекс был внедрен и активно эксплуатируется в компании ОАО «СО ЕЭС», а также в РУП ОДУ Беларуси.
Надо отметить, что РТД «Финист» используется при проведении международных противоаварийных тренировок с целью отработки взаимодействия диспетчерского персонала диспетчерских центров энергосистем СНГ и Балтии по предотвращению развития и ликвидации нарушений нормального режима национальных энергосистем, затрагивающих технологические режимы работы объектов энергетики в операционных зонах нескольких государств.

Режимные тренажеры Европы и США

Специфика оперативно-диспетчерского управления во многих странах Европы и в Северной Америке заключается в том, что роль диспетчеров в управлении электроэнергетической системой и в ликвидации последствий не столь высока, как в России. Степень интегрированности системных операторов существенно ниже, их полномочия более локальны и ограничены. Следствием является более частый переход локальных аварий в масштабные системные отключения с разделением системы на независимые синхронные зоны.
В США, как правило, оперативно-диспетчерский персонал не имеет высшего энергетического образования. И компании вынуждены делать акцент на обучение азам, основам. Очень часто работа ведётся на типовой учебной схеме, далеко не всегда адаптированной к конкретным местным условиям.
Ввиду этого, для режимных тренажеров можно выделить две ниши: первичное обучение персонала на оператора электроэнергетических систем (с выдачей соответствующей лицензии) и использование тренажера как некоего механизма-симулятора для предварительной отработки того или иного воздействия оператора на режим энергосистемы и для создания инструкций.
Нужно отметить, что хотя функционал тренажеров из этих двух групп во многом пересекается друг с другом, однако различия в требованиях для этих ниш определяет не только программную архитектуру комплексов и степень интеграции, но и требования к расчетному модулю тренажера.
Приоритетные требования к тренажеру для сертификации персонала:

  1. Наличие собственной системы отображения и подготовки данных.
  2. Наличие учебной энергосистемы с обширной номенклатурой оборудования.
  3. Многообразие видов моделируемых аварий.

Характерным представителем этого типа тренажеров является программный комплекс «EPRI OTS» от американского научно-исследовательского электроэнергетического института (Electric Power Research Institute).
Требования к тренажеру, имитирующему оперативную обстановку в диспетчерском центре:

  1. Работа с моделью реальной энергосистемы.
  2. Глубокая интеграция в SCADA-систему компании-оператора.
  3. Достоверность моделирования поведения энергосистемы, позволяющая верно воссоздавать последствия действий диспетчеров или операторов в реальной оперативной обстановке.

Практически любая западная компания занимающаяся разработкой EMS/DMS приложений для электроэнергетического рынка имеет свой собственный, глубоко интегрированный в поставляемую платформу режимный тренажер.
В качестве примера приведем два характерных представителя указанных семейств тренажёров.

Тренажёр «EPRI OTS»

Он используется для подготовки операторов и инженеров диспетчерских центров в следующих направлениях: получение основных сведений о поведении энергосистемы; основные функции оператора в нормальных и аварийных ситуациях; ликвидация аварий различной степени сложности; работа в команде при ликвидации серьезных аварий и восстановлении энергосистемы.
ПК «EPRI OTS» [10] моделирует лишь длительные и сверхдлительные переходные процессы.
Ключевой особенностью является предположение о тождественности скоростей всех синхронных машин. Это не позволяет воссоздать, например, асинхронный ход.
Дифференциальные и алгебраические уравнения решаются поочерёдно. Дифференциальные уравнения решаются неявным методом трапеций 2-го порядка точности. Минимальный шаг интегрирования равен 1 сек.
Основой расчёта потокораспределения в ПК «EPRI OTS» является ньютоновская процедура решения системы уравнений. В последней версии комплекса реализованы три метода, построенные на линеаризации уравнений режима:

  • Fast decoupled loadflow в однофазном варианте;
  • Метод Ньютона в 1-фазном варианте;
  • Метод Ньютона в 3-фазном варианте.

Моделируемое оборудование и некоторый функционал:

  • Моделируются только двух-обмоточные трансформаторы. В том числе и фазосдвигающие.
  • Высоковольтные линии электропередач.
  • Потребители. Есть возможность описания потребителя с помощью статических характеристик, случайной составляющей и графиков потребления.

Собственные нужды электростанций.

  • Коммутационные аппараты.
  • Гидроэлектростанции, в том числе и гидроаккумулирующие. Водохранилища.
  • Тепловые электростанции.
  • Атомные электростанции.
  • Энергоблоки ТЭС, ГЭС, АЭС.
  • Котлы. Регулируемые, нерегулируемые.
  • Газотурбинные установки.
  • Синхронные генераторы с возможностью задания PQ-диаграмм.
  • ЦАРЧМ.
  • Неуправляемые шунтирующие реакторы и БСК. Коммутируемые ШР и БСК. Управляемые ШР. Статические тиристорные компенсаторы.
  • Вставки постоянного тока.
  • Поддержка сценариев. В том числе и эвристический построитель сценариев.
  • Поддержка широкого списка противоаварийных автоматик и ряд типовых реле.
  • Поддержка режимных ограничений и сигнализация при их нарушении.

Основа математического описания медленной динамики ЭЭС была разработана General Electric EPRI в конце 70-х годов. Программно она была реализована в начале 80-х годов прошлого века в университете штата Аризона. Продукт поставлялся многими компаниями: ABB, DSI, Incremental Systems, NSR, Siemens, Telegyr, Transdyn Con-trols. СУБД Тренажёра и расчётное ядро разрабатывалась на Фортране-77. С тренажером поставляется небольшая (67 расчетных узлов) учебная энергосистема. Существует возможность импорта данных по стандарту CIM (IEC61970-IEC61968). Есть возможность интеграции со сторонними системами по протоколу ICCP.
Тренажер «EPRI OTS» является самым распространенным тренажерным комплексом в США, используемым преимущественно для лицензирования операторов энергосистем.

Тренажер «Fast DTS»

Тренажер, созданный компаниями «ABB» и «Tractebel Engineering» [11], позиционируется как тренажер с высокой точностью моделирования. Вкладом со стороны «ABB» послужила платформа «Network Manager™», обладающая мощной базой данных, средствами обучения и инфраструктурой. В основу расчётной модели был положен режимный имитатор Eurostag [12].
Спектр моделируемых переходных процессов динамической модели ПК «Fast DTS» не отличается от других режимных тренажеров диспетчера, за исключением ПК «EPRI OTS».
Алгебро-дифференциальные уравнения динамики решаются не поочерёдно, а совместно, с использованием A устойчивого неявного метода. Для решения обычно используется квазиньютоновская процедура (матрица Якоби формируется и факторизуется не на каждой итерации, и не на каждом шаге интегрирования). Предусмотрена альтернативная возможность решать линеаризованную систему уравнений итеративно – методом GMRES, основанным на разложении вектора невязок по базису Крылова.
Использованный метод решения алгебро-дифференциальных уравнений страхует от иллюзорной неустойчивости решения, но это достигается за счёт резкого роста вычислительной сложности алгоритма. Шаг интегрирования фиксирован (10–40мс). Возможен расчет несимметричных режимов.
Состав типов оборудования, моделируемый данным режимным тренажером:

  • Трансформаторы, в том числе и фазосдвигающие.
  • Высоковольтные линии электропередач.
  • Потребители. Есть возможность описания потребителя с помощью статических характеристик и графиков потребления.
  • Коммутационные аппараты.
  • Энергоблоки ТЭС, ГЭС, АЭС, эквивалентные энергоблоки.
  • Котлы. Регулируемые, нерегулируемые.
  • Газотурбинные, парогазовые установки, дизельные генераторы.
  • Синхронные генераторы с возможностью задания PQ-диаграмм.
  • Неуправляемые шунтирующие реакторы и БСК. Коммутируемые ШР и БСК.
  • Поддержка сценариев.
  • Поддержка широкого списка устройств релейной защиты и противоаварийных автоматик.
  • Поддержка режимных ограничений и сигнализация при их нарушении.

Учебная энергосистема с тренажером не поставляется. Технологический предел расчетного модуля составляет 200 генераторов и 2000 электрических шин. Это составляет приблизительно 1000 расчетных узлов.
Ввиду того, что тренажер поставляется на платформе «Network Manager™» компании «ABB» интеграция со SCADA системами этой компании анонсируется изначально и степень этой интеграции чрезвычайно высока. Впрочем, тренажёр может поставляться и отдельно.

Заключение

Сравнительные характеристики рассмотренных РТД приведены в табл.1.
Рассмотренные в данной статье режимные тренажеры, ориентированные на разные рынки и разные требования, в целом, обладают рядом общих особенностей:

  1. Обязательность моделирования длительных переходных процессов.
  2. Отказ от моделирования быстрых электромагнитных процессов в сети.
  3. Возможность представить в модели большую часть оборудования реальной энергосистемы.
  4. Наличие механизма исполнения сценариев.

Другие особенности рассмотренных тренажеров варьируются в зависимости от дополнительной функциональной направленности конкретного комплекса.
В ряду представленных тренажеров выделяется тренажер «EPRI OTS» за чрезвычайно широкий список моделируемого оборудования и тренажер «Fast DTS» за гибкие средства конструирования регуляторов и потенциально высокую точность и достоверность моделирования.
Однако каждый из данных комплексов имеет ряд существенных недостатков:

  • Тренажер от американского научно-исследовательского электроэнергетического института практически не моделирует электромеханические переходные процессы – величина шага интегрирования более 1 секунды. Это ограничивает область применения данного программного комплекса тренировкой и обучением персонала диспетчерского центра только в нормальных режимах. Моделирование переходных процессов в тяжелых режимах, при такой величине шага интегрирования, дает только качественный и не всегда верный результат.
  • Тренажер от «ABB» и «Tractebel» несмотря на более надежный способ расчета системы алгебро-дифференциальных уравнений имеет очень маленький список моделируемого оборудования и серьезные ограничения на размерность схемы. При этом присутствует то же самое упрощение и пренебрежение к электромагнитным переходным процессам, характерное для других тренажеров — величина шага интегрирования более 10 мс.
  • Основными характерными чертами российских тренажеров являются классическая «последовательная» схема решения алгебро-дифференциальной системы уравнений, отсутствие возможности расчета несимметричных режимов, а также отсутствие требований глубокой интеграции в систему заказчика. Можно сказать, что основные российские режимные тренажеры изначально проектировались как отдельные программные комплексы.

Сравнительные характеристики режимных тренажеров диспетчера

РТД

Метод решения уравнений динамики

Вид уравнений узловых напряжений

Метод расчета установившегося режима

Технологический предел расчетного модуля

Возможность использования многоядерного процессора

Формат хранения данных оборудования

Возможность интеграции с другими системами

1

Феникс

Рунге-Кутты 2-го порядка

В форме баланса мощностей

комбинация методов Зейделя и квазиньютоновской процедуры

~2000 расчетных узлов

Нет

Собственный

Собственный файловый протокол

2

РЕТРЕН

Неявная схема интегрирования

В форме баланса токов

методом Гаусса с треугольной факторизацией матрицы проводимости

~1500 расчетных узлов

Нет

Собственный

Собственный протокол

3

Финист

Явные методы Рунге-Кутты и явный метод предиктор-корректор переменного порядка, основанный на методе Адамса

Для длительных процессов в форме баланса мощностей

метод Ньютона-Гаусса в логарифмической системе координат

~10000 расчетных узлов

Да

CIM (IEC61970-IEC61968)

По протоколам   IEC61970-404 (HSDA), IEC870-5-104, IEC61970-403 (GDA)

Для интенсивных процессов в форме баланса токов

Z-методом

4

EPRIOTS

Неявный метод трапеций 2-го порядка (моделируются только длительные переходные процессы)

Нет сведений.

Ньютоновскаяпроцедура (fast decoupled loadflow)

Нет данных

Нет

CIM (IEC61970-IEC61968)

По протоколу   ICCP

5

FastDTS

A‑устойчивый неявный метод

Совместное решение системы алгебро-дифференциальных уравнений

Совместное решение системы алгебро-дифференциальных уравнений

~1000 расчетных узлов

Нет данных

Собственный файловый формат

Поддержка стандарта CIM не заявлена

Российская гидроэнергетика — Валентин Новоженин для журнала RUБЕЖ

В сложившихся условиях электрогенерация в Российской Федерации осуществляется тремя типами электростанций – тепловыми, атомными и гидроэлектростанциями.

В 2016 году при общей выработке электроэнергии в стране около 1062 млрд.кВт.ч.  на тепловых электростанциях выработано около 64% электроэнергии, атомных и гидростанциях по 18%. В различных регионах страны структура генерации электроэнергии существенно различна. В 2016 году на Европейской территории и Урале при общей генерации около 800 млрд.кВт.ч.  доля выработки на тепловых электростанциях 67%, атомных 25%, гидроэлектростанциях 8%, на Азиатской территории доля тепловых станций 52%, гидроэлектростанций 48%. Выработка электроэнергии на установках ВИЭ (включая малые ГЭС) незначительна, и в общегосударственных показателях измеряется сотыми долями процента.

Сложившаяся структура генерации признается теми, кто несет государственную ответственность за данный базовый фрагмент экономики страны, оптимальным, соответствующим ресурсному обеспечению генерации, особенностям экономического развития регионов, инвестиционной привлекательности, экономическим требованиям и др. Стратегия энергетического развития России на период до 2035 года практически сохраняет сложившуюся структуру производства электроэнергии с некоторым «опережающим развитием нетепловых электростанций», но только АЭС, а не ГЭС. При ожидаемом увеличении производства электроэнергии к 2035 году в 1,27 – 1,43 раза (с 1062 до 1352 – 1514 млрд.кВт.ч.) рост производства электроэнергии на АЭС ожидается в 1,4 – 1,8 раза, а на ГЭС – в 1,2 – 1,3 раза с увеличением производства на основе ВИЭ в десятки раз.

Поскольку электроэнергетика является базовой отраслью экономики, определяющей размещение, развитие, экономическую эффективность и стабильность всех других ее отраслей и социальной сферы, оценка сложившейся структуры электроэнергетики и особенно прогноз и выработка направлений ее развития и, следует особенно подчеркнуть, реализация выработанных направлений развития должны разрабатываться, том числе, на основании выявления и аргументированного анализа и оценки возможных рисков реализации намечаемых путей функционирования и развития отрасли. Трудно, например, согласиться с обоснованностью аргументации энергетической стратегии о возможности добычи нефти в 2035 году примерно равной добычи в настоящее время (с сохранением и даже наращиванием объема ее экспорта) понимая, что к этому периоду будут выработаны все разведанные и подтвержденные запасы нефти, а остальные «прогнозные, ожидаемые с низкой подверженностью», и без анализа себестоимости  их добычи. Создается впечатление, что к обоснованности топливного ресурса основных составляющих производства электроэнергии применен столь же «аргументированный» подход.

Топливный баланс современной тепловой электроэнергетики станы включает природный газ – 75% общего потребления топлива, и уголь – 24%.

Объем годового потребления газа – около 200 млрд. м 3. По масштабу потребления это треть современной добычи газа в стране и равно объему его экспорта. Такого «рационального» использования этого долговременно стратегически важного для страны, но исчерпаемого ресурса не может позволить себе ни одна страна мира (может быть кроме Саудовской Аравии и Кувейта). Разведанные запасы газа в стране при современном объеме его добычи хватит примерно на 50 лет. Однако золотая «эра Саматлора» для нефти и газа уже закончена, наиболее продуктивные месторождения выработаны на 70-80% и сегодня мы предметно наблюдаем повышение сложности добычи, в том числе газа, и снижение его качества на новых месторождениях. А эти обстоятельства побуждают постоянную и возрастающую динамику повышения себестоимости разведки, добычи и транспорта топлива. К сожалению эти нарастающие во  времени проблемы во всех перспективных проработках не рассматриваются и не учитываются. Наконец, 20 и даже 50 лет нельзя считать достаточными для обеспечения стратегической ресурсной и экономической безопасности всей страны после того, и  это риски не только будущих поколений. Объективный и вполне обоснованный вывод – искать и реализовывать пути снижения объемов сжигания и продажи этого стратегически важного ресурса не только как топлива, но и основного сырья для всей нефтегазохимии – производства продукции, без которой невозможно представить современный образ жизни.

Всеми современными энергетическими стратегиями приоритет в развитии электроэнергетики отводиться развитию атомной энергетики.

Существует даже государственная программа ее развития. Однако ресурсная обоснованность этой программы, по видимому, базируется на заявлениях отдельных «энергетиков» о размерах собственных запасов урановых руд и ориентацию на их импорт. При современной переработке урановой руды порядка 20 тыс. тонн, руды собственной добычи менее четверти. А при общих, доказанных запасах урановой руды в стране порядка 480 тыс. тонн и современном объеме использования ее хватит только на 25 лет. Не ожидает ли нас то, что уже начали испытывать французские энергетики-атомщики в странах центральной Африки в условиях интенсивного нарастания дефицита урановых руд в мире, что заставляет их пересмотреть глобальную ориентацию на атом. Очевидно также, что данные риски энергетической безопасности, совпадающие  по времени с газовыми, сопровождаются и серьезными экономическими рисками для всей экономики и нашей страны.

В настоящее время атомщиками широко рекламируется новый тип атомных реакторов с воспроизводством топлива – реакторы на быстрых нейтронах.

При всей очевидности инновационности этой технологии и ее потребности, остаются неясными масштабы этого производства и какова же стоимость электроэнергии, вырабатываемой этими станциями, если для их функционирования необходимо топливо с обогащением на порядок выше, чем в «обычных» реакторах.

Наконец, еще одна и, к сожалению, не только экономическая данность атомной энергетики. Любой объект АЭС создается на период только одного поколения. А уже следующее поколение должно его полностью ликвидировать (за стоимость не меньше, чем на строительство), сохранив «на добрую память» о своих предшественниках массу радиационно-опасных материалов, подлежащих вечному хранению. При этом остается открытым вопрос за чей счет это делается?

Впрочем, Энергетической стратегией атомная генерация отнесена к виду «безтопливной»!?

Энергетика на возобновляемых ресурсах получила некоторое развитие.

К генерации этого типа отнесены ветровая, солнечная, геотермальная и гидроэнергетика малых ГЭС. Большая гидроэнергетика из данного понятия исключена. Безусловно, это необходимое направление электроэнергетики, особенно для энергоизолированных территорий со сложной транспортной доступностью, для которых топливный эффект ВИЭ служит серьезным экономическим фактором. Однако в целом, государственными энергетическими стратегиями и фактическим состоянием дел на рассматриваемую перспективу намечается снижение темпов развития  большой гидроэнергетики, а в результате к 2035 полный объем выработки «безтопливной» электроэнергии снизится с нынешних 18% до 13-14%.

Нельзя не упомянуть и о солидарной ответственности России перед международным  сообществом за выбросы в атмосферу продуктов сжигания топлива, в том числе и на электростанциях, приводящим к негативным изменениям климата на планете. В данном процессе Россия не является мировым лидером, но является активным его участником. Суммарные выбросы в атмосферу углекислого газа на территории страны, ориентировочно определяются объемом 2,8 млрд.тонн, в том числе угольными ТЭС – 0,5 млрд. тонн, газовыми ТЭС – 1,5 млрд.тонн.

При введении в соответствии с «Парижским климатическим соглашением по предупреждению глобального повышения температуры» (ноябрь 2016 года), подписанным Россией, компенсационных ежегодных платежей за выбросы для России они могут исчисляться не одним миллиардом долларов. Правда, на территории России благодаря разнообразным природным условиям происходит естественный, значительный по объему восстановительный процесс по отношению к углекислому газу, однако будет ли это учтено для России остается вопросом.

Гидроэнергетика в настоящее время является третьей генерацией по объему вырабатываемой электроэнергии.

В 2017 году суммарная выработка ГЭС составила 192,5 млрд.кВт.ч.,  или 18% общей выработки электроэнергии страны – это суммарный объем электроэнергии, вырабатываемый в настоящее время на возобновляемых энергоресурсах. 

Гидроэнергетические ресурсы речного стока страны определены в соответствии с международной классификацией на основании фактических результатов гидрологических наблюдений и проектных проработок и оцениваются следующими параметрами среднегодовой  выработки электроэнергии: теоритический гидропотенциал – 2395 млрд.кВт.ч, технический потенциал – 1670 млрд.кВт.ч, экономический потенциал – 852 млрд.кВт.ч. Экономический гидропотенциал включает суммарный объем действующих и возможных к строительству ГЭС, эффективность строительства которых превышает эффективность строительства тепловых электростанций. Однако распределение гидропотенциала на территории страны неравномерно. На Европейской территории экономический гидропотенциал оценен в 162 млрд.кВт.ч, на Азиатской – 690 млрд.кВт.ч., в том числе Сибири 396 и Дальнем Востоке – 294 млрд.кВт.ч.

Паспортная выработка всех действующих гидроэлектростанций страны (с мощностью выше 10МВт) в настоящее время составляет 200,8 млрд.кВт.ч., или 23,5% от экономического гидропотенциала. На территории Европейской части страны соответственно 60,5 млрд.кВт.ч. и 37,3%, Сибири – 117,5 млрд.кВт.ч. и 29,7%, Дальнем Востоке – 22,8 млрд.кВт.ч. и 7,7 %. Современное участие гидроэнергетики в покрытии электропотребления страны (2016 год) характеризуется следующими данными: Европейская часть – 8%, Сибирь – 49,5%, Дальний Восток – 55%.

Оценивая «достигнутый» уровень использования гидроэнергоресурсов, наиболее эффективного и стабильного, экологически чистого возобновляемого источника энергии в России – 23,5% в сопоставлении с показателями аналогичных по экономическому развитию стран, следует признать его крайне низким. В Европейских странах, в крупных странах Северной и Южной Америки, Китае, Японии и др. гидроэнергетический потенциал используется на 60-80% или полностью. И это характерно не только для стран с низкими запасами топливных ресурсов. Экономически их объединяет одно – развитая рыночная экономика при активном государственном управлении функционированием и развитием стратегически важных, фундаментальных фрагментов экономики.

Теперь, уже исторически, развитие гидроэнергетики Советского Союза и России можно разделить на три этапа.

  • Первый этап интенсивного планового гидроэнергетического строительства,  начиная с Плана ГОЭЛРО и продолжая – пятилетние планы развития гидроэнергетики в 50-90 е годы прошлого века, на протяжении которых было построено 95% всего действующего гидропотенциала страны.
  • Второй – последние 25-30 лет новейшей истории – период «мучительной» достройки объектов «советского периода» и нескольких новых объектов малой и средней мощности.
  • И, наконец, современный период – практически полной приостановки гидроэнергетического строительства.

Каковы же перспективы дальнейшего развития гидроэнергетики – основного направления экономии исчерпаемых ресурсов в России?

По нынешнему состоянию, так называемых факторов развития – никаких. Ничего нового не проектируется, не строится и не планируется. Можно ли назвать существующие в настоящее время многочисленные стратегии, схемы территориального планирования, различные генеральные схемы развития плановыми документами, если они не подкреплены и не сопровождаются необходимыми действиями и ответственностью за их выполнение. Все они, зачастую весьма противоречивые, отражают лишь мнение и ожидания их разработчиков, утверждаемые Правительством.

Характерный пример. В 2009 году Правительство утверждает «Энергетическую стратегию России до 2030 года», в которой в рассматриваемый период «ожидается» ввод новых ГЭС суммарной мощностью 38 млн.кВт. и АЭС – 28 млн.кВт. А через полгода, в 2010 году Правительство согласовывает «Генеральную схему размещения объектов электроэнергетики» на тот-же период, в которой «предполагается» увеличение в этот период мощности ГЭС на 5,4 млн.кВт, а АЭС на 43 млн.кВт.?

В откорректированной «Энергетической стратегии до 2035 года» (2016 год) ожидается увеличение выработки электроэнергии ГЭС в этот период в 1,2-1,3 раза, а на АЭС в 1,4-1,8 раза без упоминания, в отличие от предшествующих подобных документов, конкретных перспективных объектов. Для гидроэнергетики увеличение выработки за 15 лет на 40-60 млрд.кВт.ч.  требует  строительства новых  ГЭС суммарной мощностью  8-12 млн.кВт. Для примера – суммарная выработка ГЭС Волжско-Камского каскада – 40 млрд.кВт.ч, Ангарского каскада ГЭС – 65 млрд.кВт.ч. Если это Государственная стратегия, а не декларация о намерениях или добрых ожиданий, она должна сопровождаться разработкой и реализацией конкретных контролируемых программ. Для строительства важных отраслей экономики это необходимость. И это сделано. В уточненной Схеме территориального планирования, утвержденной Правительством в августе 2016 года практически на тот-же период, что и у Стратегии, суммарная выработка новых ГЭС 16 млрд.кВт.ч., т.е. в два раза ниже минимально ожидаемой по Стратегии?  И самое важное – все виды работ по дальнейшему гидроэнергетическому строительству прекращены и ничего нового в рассматриваемой перспективе никто не собирается делать.

Достоверную экономическую оценку различных генераций в настоящее время провести достаточно затруднительно из-за отсутствия открытой экономической информации о стоимости их строительства и функционирования, особенно атомной энергетики. Однако оценочный диапазон удельных стоимостей установленной мощности различных энергообъектов с учетом региональных особенностей представляется следующим (в дол. США при курсе в 2013г.) ПТУ — 1000-1200 дол/кВт; ТЭС (угольные) — 1500-2200; АЭС — 5000-5500; ГЭС (с линиями электропередач) -2000-3500 дол/кВт. Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на различных станциях, оценивается в следующих диапазонах: ТЭС — 22-35 коп/кВт.ч и выше, АЭС — 40-50; ГЭС — 10-12 коп/кВт.ч. Несмотря на то, что тарифы на электроэнергию для потребителей превышают любую ее себестоимость на порядок и выше, этот показатель имеет большое значение для экономики электроэнергетики, и объектов, особенно для их периода эксплуатации после возврата инвестиций.

При экономической оценке различных генераций следует иметь ввиду еще одно обстоятельство. Если себестоимость электроэнергии ГЭС является окончательной на весь неограниченный период эксплуатации, то себестоимость электроэнергии ТЭС имеет постоянную тенденцию повышения из-за роста стоимости топлива, особенно газа, а также потенциальных экологических выплат. Обсуждать себестоимость электроэнергии АЭС, как и их энергоэкономическую эффективность, вообще беспредметно, поскольку неизвестна реальная стоимость топлива, затрат на выдержку и захоронение радиоактивных отходов, куда относятся средства на ликвидацию и последующее хранение остатков объектов АЭС после истечения сравнительно короткого срока их эксплуатации (30-35 лет). А эти затраты сопоставимы со стоимостью строительства данных объектов. Отсюда следует, что энергоэкономическая оценка различных генераций имеет предположительный характер и направление их развития является государственной прерогативой не только экономического фактора, но и энергетической безопасности страны. Но эта прерогатива должна носить характер не намерений и ожиданий, а реализуемых целей.

Одна из проблем гидроэнергетики, которая активно обсуждается общественностью, это экологические и социальные риски, возникающие при строительстве и эксплуатации ГЭС.

В сравнении с другими, отнюдь не безгрешными, источниками электроэнергии и их топливными компонентами экологические последствия и влияния на окружающую среду ГЭС объективно следует признать незначительными. Социальные же последствия в реальных условиях России следует рассматривать как позитивное социальное переустройство населения, особенно в неосвоенных и слабо освоенных территориях, в которые смещается будущее гидростроительство, с переустройством образа жизни переселенцев и не только в условия жизни, отвечающие современным требованиям. Для новых объектов, которые должны быть включены в число перспективных в ближайшую и среднесрочную перспективу, объемы ущерба от их строительства существенно ниже, чем при строительстве действующих объектов. Можно привести следующие средние показатели. По удельным показателям по отношению к выработке электроэнергии ГЭС на построенных объектах в среднем затоплено 22,3 га/млн.кВт.ч. и переселено 4,2 чел/млн.кВт.ч. По перспективным объектам соответствующие удельные показатели не превышают – в  Европейской части 12 га/млн.кВт.ч. и 0,4 чел/млн.кВт.ч., в Сибири соответственно 10 га/млн.кВт.ч. и 0,3 чел/млн.кВт.ч., на Дальнем Востоке 9 га/млн.кВт.ч и 0,1 чел/млн.кВт.ч. Или такие конкретные сопоставления по переселению: Волжско-Камский каскад выработка электроэнергии 40 млрд.кВт.ч., переселено 660 тыс.человек; Эвенкийская ГЭС на реке Нижняя Тунгуска соответственно 50 млрд.кВт.ч. и 7 тыс.человек., Южно-Якутский гидроэнергетический комплекс выработка 24 млрд.кВт.ч, переселение 0,0 человек, а ГЭС Три Ущелья (Китай) выработка 80 млрд.кВт.ч, переселено 1,2 млн.человек. 

Из приведенных данных следует, что оценка объектов гидроэнергетики по их воздействию на  социальную, экологическую и экономическую сферы должна носить не обобщенный и, как в основном принято, популистский характер, а быть строго индивидуальной в сопоставлении с показателями, характерными для тепловой и атомной энергетики, с учетом их накопительного во времени воздействия.

Еще один «отрицательный фактор» гидроэнергетики – длительная продолжительность строительства. Здесь следует технологически необходимую продолжительность строительства отличать от фактической для некоторых ГЭС. Для крупных ГЭС примером в отечественной практике строительства в технологически необходимые сроки могут служить строительство Жигулевской (Куйбышевской) и Братской ГЭС, которые начали выдавать электроэнергию на 6-м году строительства. 5-6 лет наиболее характерная продолжительность строительства подобных объектов в мировой практике. Продолжительность строительства объектов средней мощности 4-5 лет. Но можно строить и дольше – Богучанская ГЭС строилась 30 лет, Усть-Среднеканская скоро 30 лет, а Зарамагский гидроузел строится уже 40 лет. И этот показатель определяется только в финансовой сфере – отношение инвестора к эффективности своих вложений.

Решая стратегические энергетические проблемы страны и регионов с долгосрочными базовыми приоритетами – рациональное использование природных исчерпаемых энергетических ресурсов, повышение энергоэффективности экономики, уменьшения негативного воздействия ГЭК на окружающую среду, обеспечения экономической и энергетической безопасности, организации межрегиональных энергетических связей как интегрирующего фактора и способа выравнивания природных и хозяйственных диспропорций, развития и диверсификации долгосрочного и эффективного энергетического экспорта следует признать, что гидроэнергетика с использованием стабильных возобновляемых ресурсов в наибольшей степени соответствует перечисленным интересам, во всяком случае, в течение среднесрочной перспективе. Это не значит, что она способна заменить все другие генерации, но ее развитию должны быть даны государственные приоритеты в стратегических оценках и практических действиях.

Собственная и международная практика гидроэнергостроительства показала и большой его мультипликативный эффект, при котором удовлетворение энергетических потребностей дешевой электроэнергией с созданием пионерной строительной, транспортной и социальной инфраструктуры содействует комплексному индустриальному и социальному развитию регионов, освоению новых территорий, созданию крупных энергоемких промышленных комплексов, повышению уровня заселения и оседлости населения. Эти особенности гидроэнергетического строительства вновь становиться актуальными для реального, а не декларативного, комплексного и стабильного развития, особенно регионов Сибири и Дальнего Востока.

Исходя из сложившейся ситуации в энергетической отрасли страны, состояния и перспектив социально-экономического развития отдельных регионов стратегически и экономически обоснованной  представляется следующая принципиальная схема дальнейшего развития гидроэнергетики в перспективе 30-40 лет.

На Европейской территории, энергодефицитном регионе страны, по уровню собственного обеспечения энергетическими ресурсами практически не отличающейся от Западноевропейских стран, дальнейшее, но более эффективное использование имеющихся гидроэнергоресурсов во всех северокавказских субъектах Федерации, что уже в ближайшие годы может дать прирост выработки электроэнергии в этом энергодефицитном регионе до 5 млрд.кВт.ч. Следует вернуться к предметному изучению эффективности использования гидроэнергоресурсов в бассейнах рек Северная Двина, Печера, Вятка и др. По имеющимся данным уже на первом этапе их освоения, здесь может быть получено до 20 млрд.кВт.ч. электроэнергии, что является фундаментальным стимулом экономического развития этого европейского региона страны, развития прежде всего комплексной лесопереработки и горнорудной промышленности.

При оценке энергообеспеченности Европейской территории страны следует иметь в виду, что в настоящее время около 80% ее энергопотребления обеспечивается импортом энергоресурсов из Сибири, для чего интенсивно используются железнодорожный и трубопроводный транспорт. А «электронного» транспорта, активно используемого в аналогичных странах, практически нет. И нет его очевидно по двум причинам. Первая – передавать в настоящее время нечего, Сибирь сама электродефицитна, в 2015 году, в том числе через Казахстан, в Сибирь было передано 2,3 млрд.кВт.ч. электроэнергии. Вторая – отсутствует «государственный монополист», в противовес первым двум видам транспорта, заинтересованный в развитии электроэнергетики в Сибири с учетом состояния с энергоресурсами в Европейской части и замыкании – завершении,  таким образом, так называемой Единой энергетической системы страны (ЕЭС). А это послужило бы стимулом дальнейшего развития здесь гидроэнергетики и угольной энергетики в том числе для экспорта в Европейскую часть страны чистой энергии. 

На Азиатской территории, в зоне максимального объема неиспользованных гидроэнергоресурсов приоритетное их использование с опережающим покрытием ожидаемого роста электропотребления, прежде всего в районах расположения энергоемких производств и, что не менее важно, создание экспортного потенциала электроэнергии, как для  Европейской части страны, так и для соседних стран, испытывающих дефицит энергоресурсов. Следует завершить строительство Ангарского каскада ГЭС с дополнительной энергоотдачей около 12 млрд.кВт.ч. и приступить к освоению гидроэнергоресурсов Верхнего Енисея. Где уже первые объекты средней мощности могут дать энергоотдачу до 15 млрд.кВт.ч.

Основным, первоочередным объектом в  Восточной Сибири должна быть Эвенкийская ГЭС на  реке Нижняя Тунгуска. Выработка электроэнергии этой ГЭС 50 млрд.кВт.ч. в год при мощности 10-12 млн.кВт. Эта жемчужина отечественной гидроэнергетики и ее водохранилище расположены практически в безлюдном районе страны, а, следовательно, с минимальным ущербом для экономики, социальной сферы и окружающей среды. По объему выработки электроэнергии она равноценна АЭС суммарной мощности 7 млн.кВт. (Курская и Смоленская АЭС вместе взятые), или ТЭС мощностью 9 млн.кВт., больше выработки всего Волжско-Камского каскада ГЭС, позволит высвободить 13 млрд.м3 газа(объем подачи газа первой очереди газопровода Южный поток). Передача электроэнергии этой ГЭС в Европейскую часть страны должна осуществляться по ЛЭП большой пропускной способности. Стоимость строительства ГЭС и ЛЭП существенно ниже равнозначных АЭС на Европейской территории.

Принимая во внимание топливный, экологический, экономический, а также психологический эффекты, следовало бы придать строительству Эвенкийской ГЭС статус задачи Государственной важности ближайшей перспективы.

Развитие гидроэнергетики в Забайкалье и Дальневосточном регионе обусловлено строительством горнодобывающих и обогатительных предприятий, созданием других энергоемких производств, развитием экспорта электроэнергии, наконец, снижением ущерба от часто повторяющихся наводнений.

Очевидно, что создание новых гидроэнергетических объектов здесь должно быть согласовано с развитием зон энергопотребления, создавая опережающую энергетическую, и в значительной мере иную инфраструктурную базу развития. Обоснованные первоочередные гидроэнергоресурсы здесь имеются в каждом административном регионе. В Бурятии каскад ГЭС на реке Витим с энергоотдачей около 8 млрд.кВт.ч., Южная Якутия – комплекс ГЭС на притоках реки Алдан с энергоотдачей до 25 млрд.кВт.ч., Чукотском автономном округе, других регионах фактически по потребности для их экономического развития. Пора наконец, решить часто повторяющуюся проблему паводков в бассейне реки Амур путем строительства гидроузлов комплексного назначения на его левобережных притоках, а не «отмены» паводков на длительный период. Однако все это может быть сделано в интересах Государства и более эффективным способом только при активном и целенаправленном Государственном управлении, в том числе и обеспечение надежного энергообеспечения так называемых изолированных зон в условиях абсолютного бездорожья.

Изложенные выше анализ и оценка складывающихся осложнений и рисков дальнейшего функционирования и развития комплексной электроэнергетической отрасли страны дают основание сделать вывод о существенном несоответствии стратегическим и экономическим целям Государства фактическая приостановка дальнейшего использования гидроэнергетических ресурсов страны.

Следует также отметить, что изложенная оценка складывающихся рисков в электроэнергетике, в том числе ресурсных, совпадает с направленностью Указа Президента Российской Федерации от 13.05.2017  «О стратегии экономической безопасности Российской Федерации на период до 2030 года», как и ответственности за их предупреждение – Правительство РФ, включая государственные компании и общества с государственным участием.

Для дальнейшего эффективного, целенаправленного развития гидроэнергетики считаем необходимым разработку Государственной программы гидроэнергетического строительства на среднесрочный период, скоординированной, особенно для регионов Сибири и Дальнего Востока, с Государственной же программой развития этих регионов. Эта программа должна содержать конкретные меры государственной поддержки и контроля исполнения.

 

Гидроэлектроэнергия Водопользование

• Школа водных наук ГЛАВНАЯ • Темы водопользования •

Плотина Чодьер отводит воду из реки Оттава, Канада.

Кредит: Викимедиа

На протяжении всей истории люди использовали движущуюся воду для помощи в работе, а современные люди широко используют движущуюся воду для производства электроэнергии. Несомненно, пещерный Джек прикрепил к шесту несколько крепких листьев и бросил их в движущийся поток.Вода вращала шест, который измельчал зерно, чтобы приготовить вкуснейшие обезжиренные доисторические кексы с отрубями. На протяжении многих веков энергия воды использовалась для работы мельниц, перемалывающих зерно в муку. На протяжении всей истории люди использовали движущуюся воду для помощи в работе, а современные люди широко используют движущуюся воду для производства электроэнергии.

Гидроэнергетика для нации

Хотя большая часть энергии в Соединенных Штатах производится на ископаемом топливе и атомными электростанциями, гидроэлектроэнергия по-прежнему важна для нации.В настоящее время огромных электрогенераторов размещены внутри плотин . Вода, протекающая через плотины, вращает лопатки турбин (сделанные из металла вместо листьев), которые соединены с генераторами. Электроэнергия производится и отправляется в дома и на предприятия.

Мировое распределение гидроэнергетики

  • Гидроэнергетика — самый важный и широко используемый возобновляемый источник энергии.
  • Гидроэнергетика составляет около 17% (Международное энергетическое агентство) от общего производства электроэнергии.
  • Китай является крупнейшим производителем гидроэлектроэнергии, за ним следуют Канада, Бразилия и США (Источник: Управление энергетической информации).
  • Примерно две трети экономически обоснованного потенциала еще предстоит освоить. Неиспользованные гидроресурсы по-прежнему в изобилии в Латинской Америке, Центральной Африке, Индии и Китае.

Производство электроэнергии с использованием гидроэлектроэнергии имеет некоторые преимущества перед другими методами производства энергии .Сделаем быстрое сравнение:

Преимущества гидроэнергетики

  • Топливо не сжигается, поэтому загрязнение минимально
  • Вода для работы электростанции предоставляется бесплатно по своей природе
  • Гидроэнергетика играет важную роль в сокращении выбросов парниковых газов
  • Сравнительно низкие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание
  • Технология надежная и проверенная временем
  • Возобновляемый — дождь обновляет воду в резервуаре , поэтому топливо почти всегда есть

Прочтите расширенный список преимуществ гидроэнергетики на конференции Top World Conference on Sustainable Development, Йоханнесбург, Южная Африка (2002)

Недостатки электростанций, использующих уголь, нефть и газовое топливо

  • Они используют ценные и ограниченные природные ресурсы
  • Они могут производить много загрязнений
  • Компании должны выкопать землю или бурить скважины, чтобы добыть уголь, нефть и газ
  • Для атомных электростанций существуют проблемы с удалением отходов

Гидроэнергетика не идеальна и имеет некоторые недостатки

  • Высокие инвестиционные затраты
  • Зависит от гидрологии ( осадков, )
  • В некоторых случаях затопление земель и мест обитания диких животных
  • В некоторых случаях потеря или изменение местообитаний рыб
  • Захват рыбы или ограничение прохода
  • В отдельных случаях изменения в водохранилище и потоке Качество воды
  • В отдельных случаях перемещение местного населения

Гидроэнергетика и окружающая среда

Гидроэнергетика не загрязняет окружающую среду, но оказывает воздействие на окружающую среду

Гидроэнергетика не загрязняет воду и воздух.Однако гидроэнергетические объекты могут иметь большое воздействие на окружающую среду, изменяя окружающую среду и влияя на землепользование, дома и естественную среду обитания в районе плотины.

Большинство гидроэлектростанций имеют плотину и водохранилище. Эти структуры могут препятствовать миграции рыб и влиять на их популяции. Эксплуатация гидроэлектростанции может также изменить температуру воды и сток реки. Эти изменения могут нанести вред местным растениям и животным в реке и на суше.Водохранилища могут покрывать дома людей, важные природные территории, сельскохозяйственные угодья и места археологических раскопок. Таким образом, строительство плотин может потребовать переселения людей. Метан, сильный парниковый газ, также может образовываться в некоторых резервуарах и выбрасываться в атмосферу . (Источник: EPA Energy Kids)

Строительство водохранилища в США «иссякает»

Гоша, гидроэлектроэнергия звучит здорово — так почему бы нам не использовать ее для производства всей нашей энергии? В основном потому, что вам нужно много воды и много земли, где вы можете построить плотину и резервуар , что все требует ОЧЕНЬ много денег, времени и строительства.Фактически, большинство хороших мест для размещения гидроэлектростанций уже занято. В начале века гидроэлектростанции обеспечивали чуть меньше половины всей электроэнергии страны, но сегодня это число снизилось примерно до 10 процентов. Тенденцией на будущее, вероятно, будет строительство малых гидроэлектростанций, которые могут вырабатывать электроэнергию для одного сообщества.

Как видно из этого графика, строительство поверхностных водохранилищ в последние годы значительно замедлилось. В середине 20 века, когда урбанизация происходила быстрыми темпами, было построено множество водохранилищ, чтобы удовлетворить растущий спрос людей на воду и электроэнергию.Примерно с 1980 года темпы строительства водохранилищ значительно замедлились.

Типовая гидроэлектростанция

Гидроэнергия вырабатывается падающей водой. Способность производить эту энергию зависит как от имеющегося потока, так и от высоты, с которой он падает. Накапливаясь за высокой плотиной, вода аккумулирует потенциальную энергию. Это превращается в механическую энергию, когда вода устремляется вниз по шлюзу и ударяется о вращающиеся лопасти турбины.Вращение турбины вращает электромагниты, которые генерируют ток в неподвижных катушках проволоки. Наконец, ток пропускается через трансформатор, где напряжение увеличивается для передачи на большие расстояния по линиям электропередачи. (Источник:

)

Падающая вода производит гидроэлектроэнергию. Теория состоит в том, чтобы построить плотину на большой реке с большим перепадом высоты (в Канзасе или Флориде не так много гидроэлектростанций).Плотина хранит много воды позади себя в водохранилище. У подножия стены дамбы находится водозабор. Гравитация заставляет его проваливаться через напорный водовод внутри дамбы. В конце напорного трубопровода находится пропеллер турбины, который вращается движущейся водой. Вал турбины идет вверх в генератор, который производит мощность. К генератору подключены линии электропередач, по которым электричество доставляется в ваш дом и в мой. Вода проходит мимо гребного винта по отводу в реку мимо плотины.

Производство гидроэлектроэнергии в США и в мире

На этой диаграмме показано производство гидроэлектроэнергии в 2012 году в ведущих странах мира, производящих гидроэлектроэнергию. В последнее десятилетие Китай построил крупные гидроэлектростанции и сейчас занимает лидирующие позиции в мире по использованию гидроэлектроэнергии. Но с севера на юг и с востока на запад страны всего мира используют гидроэлектроэнергию — главные составляющие — это большая река и перепад высот (конечно, вместе с деньгами).

Гидроэлектростанция — обзор

15.3 Технология

Гидроэнергетика — это зрелая технология с проверенными решениями и хорошей надежностью. Гидроэлектростанция включает компоненты гражданского, механического и электротехнического строительства. Во время планирования и эксплуатации также очень важно включать информацию о гидрологии, гидравлике, экологической инженерии вместе с информацией по социальным и политическим вопросам, чтобы найти оптимальное решение.

Гидроэлектростанция обычно состоит из водозабора, водопровода («напор»), напорного водопровода, электростанции с электрическим и механическим оборудованием («Элмек») и, наконец, водного пути («отвод») к выпускному отверстию. Он может включать или не включать плотину и резервуар для хранения воды. Три основных компонента оборудования Elmek: турбина (и), генератор (ы) и трансформатор (ы). Кроме того, будет много других компонентов, таких как ворота и клапаны, электронное оборудование для управления работой станции, силовые кабели, распределительное устройство и сетевые соединения.

Гидроэлектростанция почти всегда приспособлена для использования имеющейся воды и напора, и было разработано много различных типов турбин: наиболее распространенными являются турбина Пелтона и Фрэнсиса для ситуаций с высоким и средним напором и турбина Каплана для нижнего и нижнего напора. системы с большим потоком.

Гидроэнергетические схемы можно в целом разделить на четыре основных типа: русловые (RoR), накопительные (на базе водохранилищ), гидроаккумулирующие гидроаккумуляторы (PSH) и внутрипоточные (гидрокинетические) технологии.

15.3.1 Русло реки

РП Гидроэлектростанции в основном вырабатывают электроэнергию из имеющегося стока реки. Может быть предусмотрено небольшое хранилище (пруд), позволяющее отчасти приспособиться к потреблению, но профиль генерации, как правило, будет соответствовать профилю притока.

15.3.2 Накопительная гидроэлектростанция

Гидроэнергетические проекты с водохранилищем могут хранить воду для последующего использования, как правило, за счет экономии воды в сезон высокого стока (весна, сезон дождей) и сброса воды в сезон низкого стока (зима, засуха). сезон).Резервуар дает большую гибкость и позволяет гидроэлектростанции лучше адаптироваться к профилю спроса как в краткосрочной перспективе (часы, дни), так и в зависимости от сезона.

15.3.3 Гидроаккумулятор

Схема гидроаккумулятора с гидроаккумулятором состоит из реверсивной электростанции и двух резервуаров, соединенных трубой или туннелем. Основная цель состоит в том, чтобы накапливать энергию, закачивая воду в верхний резервуар в периоды низкой нагрузки, и генерировать (пиковую) мощность, возвращая воду в турбину в периоды высокой нагрузки.

15.3.4 Hydrokinetic

Эта технология менее развита и используется реже, чем три других, но обещает расширить диапазон возможных участков для развития гидроэнергетики до рек и каналов, где она может использовать энергию непосредственно из проточной воды, а не от гидравлического напора, создаваемого дамбами или другими регулирующими сооружениями.

15.3.5 Подземные электростанции

Туннели и каменные пещеры являются важными строительными элементами в большинстве крупномасштабных гидроэнергетических проектов, таких как проходные и отводные туннели, туннели доступа, электростанция, гидравлические шахты, шахты для силовых кабелей и вентиляционные туннели или шахты.В Норвегии почти все крупные гидроэлектростанции строятся под землей с 1960 года [2]. Если скала хорошего качества, большинство туннелей, водозаборов и каменных пещер можно использовать без футеровки, что позволяет сэкономить время на строительстве и дорогостоящую бетонную облицовку.

15.3.6 Крупные и малые гидроэлектростанции

Стало популярным классифицировать гидроэлектростанции как «малые» или «большие» в зависимости от установленной мощности. Кажется, существует мнение, что «малое — красиво» и что небольшие гидроэлектростанции более безопасны для окружающей среды.В некоторых странах малые гидроэлектростанции принимаются к разработке и получают субсидии, в то время как более крупные гидроэлектростанции не субсидируются. Если посмотреть на воздействие на киловатт-час, картина становится более сложной, и одна большая гидроэлектростанция может легко иметь меньшее воздействие (на киловатт-час), чем множество небольших станций той же мощности вместе взятых. Подробно это обсуждалось в [4]. [1], где был сделан вывод о том, что следует избегать использования классификации по размеру, поскольку нет четкой связи между размером и воздействием, а также потому, что определение того, что является «маленьким» и «большим», сильно отличается от одного. страны в другую, как показано в Таблице 15.4. Были даже попытки классифицировать малые гидроэлектростанции как «возобновляемые», а большие гидроэлектростанции как «невозобновляемые». Это, конечно, ерунда, и этого следует избегать. И малые, и большие гидроэлектростанции в равной степени возобновляемы, но они могут иметь разное воздействие и быть более или менее устойчивыми. Поэтому лучше обсудить, является ли проект устойчивым, и классифицировать проект (ы) в соответствии с индексом устойчивости. Это обсуждается в следующем разделе.

Таблица 15.4. Определение «малой гидроэнергетики» по установленной мощности в некоторых странах [1].

4 Энергетика Национальное географическое общество

Гидроэнергетика, также называемая гидроэлектроэнергией или гидроэлектроэнергией, представляет собой форму энергии, которая использует энергию движения воды, например, воды, текущей по водопаду, для выработки электроэнергии.Люди использовали эту силу тысячелетиями. Более двух тысяч лет назад люди в Греции использовали проточную воду, чтобы превратить колесо своей мельницы, чтобы перемолоть пшеницу в муку.

Как работает гидроэнергетика?

Большинство гидроэлектростанций имеют резервуар с водой, задвижку или клапан для контроля количества воды, вытекающей из резервуара, а также выпускное отверстие или место, куда вода попадает после стекания вниз. Вода приобретает потенциальную энергию непосредственно перед тем, как переливается через вершину плотины или стекает с холма.Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую, когда вода течет вниз. Воду можно использовать для вращения лопастей турбины для выработки электроэнергии, которая распределяется среди потребителей электростанции.

Типы гидроэлектростанций

Существует три различных типа гидроэлектростанций, наиболее распространенным из которых является водохранилище. В водохранилище плотина используется для управления потоком воды, хранящейся в бассейне или резервуаре.Когда требуется больше энергии, из плотины сбрасывается вода. Как только вода выпущена, сила тяжести берет верх, и вода течет вниз через турбину. Когда лопасти турбины вращаются, они приводят в действие генератор.

Другой тип гидроэлектростанции — водозаборное сооружение. Этот вид растений уникален тем, что не использует плотину. Вместо этого он использует серию каналов для направления текущей речной воды к турбинам, приводящим в действие генераторы.

Третий тип установок называется гидроаккумулирующим.Эта установка собирает энергию, произведенную из солнечной, ветровой и ядерной энергии, и хранит ее для будущего использования. Станция накапливает энергию, перекачивая воду из бассейна на более низкой высоте в резервуар, расположенный на более высокой высоте. Когда есть высокий спрос на электричество, сбрасывается вода, находящаяся в верхнем бассейне. Когда эта вода стекает обратно в нижний резервуар, она вращает турбину для выработки большего количества электроэнергии.

Насколько широко в мире используется гидроэнергетика?

Гидроэнергетика — наиболее часто используемый возобновляемый источник электроэнергии.Китай — крупнейший производитель гидроэлектроэнергии. Другие ведущие производители гидроэнергии по всему миру включают США, Бразилию, Канаду, Индию и Россию. Примерно 71 процент всей возобновляемой электроэнергии, производимой на Земле, вырабатывается гидроэнергетикой.

Какая самая большая гидроэлектростанция в мире?

Плотина «Три ущелья» в Китае, сдерживающая реку Янцзы, является крупнейшей гидроэлектростанцией в мире с точки зрения производства электроэнергии.Плотина имеет длину 2335 метров (7660 футов) и высоту 185 метров (607 футов) и имеет достаточно генераторов, чтобы производить 22 500 мегаватт электроэнергии.

10 главных фактов о гидроэнергетике, которых вы не знали

10. Гидроэнергетика — один из старейших источников энергии на планете, вырабатывающий энергию, когда текущая вода вращает колесо или турбину. Еще в Древней Греции он использовался фермерами для механических задач, таких как измельчение зерна. Гидроэнергетика также является возобновляемым источником энергии и не вызывает загрязнения воздуха или токсичных побочных продуктов.Узнайте больше об истории гидроэнергетики.

9. Когда большинство людей думают о гидроэнергетике, они представляют себе плотину Гувера — огромное сооружение, хранящее энергию целой реки за своими стенами, — но гидроэнергетические сооружения также могут быть крошечными, поскольку они используют потоки воды в муниципальных системах водоснабжения или орошения. канавы. Они могут даже быть «без плотины», с водозаборами или речными сооружениями, направляющими часть потока через электростанцию ​​до того, как вода вернется в основную реку.

8.Ниагарский водопад был местом расположения первого гидроэлектростанции в стране, построенного в 1881 году, когда Чарльз Браш подключил генератор к турбинам, приводимым в действие водопадом, и использовал электроэнергию для ночного освещения для приезжающих туристов. Первая коммерческая гидроэлектростанция в Америке была построена в 1882 году в Аплтоне, штат Висконсин, и обеспечивала освещение бумажной фабрики и нескольких домов.

7. Каждый штат использует гидроэнергию для производства электроэнергии, а некоторые штаты используют ее в больших количествах. Свыше 70 процентов электроэнергии в штате Вашингтон вырабатывается гидроэлектростанциями, а в 11 штатах более 10 процентов электроэнергии получают за счет гидроэнергетики.

6. Стоимость гидроэлектроэнергии ниже, чем у большинства источников энергии. В штатах, которые получают большую часть электроэнергии за счет гидроэнергетики, таких как Айдахо, Вашингтон и Орегон, счета за электроэнергию ниже, чем в остальной части страны.

5. Гидроэлектроэнергия обеспечивает около семи процентов электроэнергии, вырабатываемой в Соединенных Штатах, и около половины электроэнергии из всех возобновляемых источников, по данным Управления энергетической информации.

4. Некоторые гидроэнергетические объекты могут быстро перейти от нулевой мощности к максимальной, что делает их идеальными для удовлетворения внезапных изменений спроса на электроэнергию.Поскольку гидроэлектростанции могут немедленно передавать электроэнергию в сеть, они обеспечивают необходимую резервную мощность во время крупных перебоев в электроснабжении, таких как отключение электроэнергии в 2003 году, затронувшее северо-восточные штаты и юг Канады. Прочтите отчет о других услугах, которые гидроэнергетика может предоставить электросети.

3. Другой тип гидроэнергетики, называемый гидроаккумулятором, работает как батарея, накапливая электроэнергию, вырабатываемую другими источниками энергии, такими как солнечная, ветровая и ядерная, для дальнейшего использования. Он накапливает энергию, перекачивая воду вверх в резервуар на более высокой высоте из второго резервуара на более низкой высоте.Когда требуется мощность, вода выпускается и вращает турбину, вырабатывая электричество.

2. Устройства на плотинах могут помочь рыбе и другим диким животным свободно перемещаться вокруг плотин и между участками рек. Рыболовные лестницы и подъемники для рыбы — это лишь некоторые из методов, используемых для облегчения миграции рыбы.

1. Плотины строятся не только для производства электроэнергии, но и для различных целей, таких как ирригация, судоходство и навигация, борьба с наводнениями или создание резервуаров для рекреационной деятельности.Фактически, только 3 процента из 80 000 плотин страны в настоящее время вырабатывают электроэнергию. Исследование, финансируемое Министерством энергетики, показало, что к существующим плотинам по всей стране можно добавить 12 гигаватт гидроэлектростанций. Посмотреть полный отчет и интерактивную карту по энергетическому потенциалу немеханических плотин.

Возобновляемая энергия — Гидроэнергетика : Системы и решения : Возобновляемая энергия

Мы предлагаем высоконадежную и высокопроизводительную систему гидроэнергетики, которая наилучшим образом соответствует топографическим условиям и потребностям клиентов.

«Гидроэнергетика» генерирует энергию, используя энергию воды, падающей из более высокого положения в более низкое. Одной из этих систем производства гидроэлектроэнергии является «система гидроаккумулирования», которая перекачивает воду из более низкого резервуара в более высокий резервуар в часы непиковой нагрузки и генерирует энергию, сбрасывая воду из более высокого резервуара в более низкий резервуар в часы пик. .Мы производим для этих электростанций целую систему генерации.
Поскольку гидроэнергетика выделяет минимальное количество CO 2 , который, как известно, является причиной загрязнения окружающей среды и глобального потепления. В наши дни во всем мире происходит переоценка эффективного использования гидроэнергии.

Экологичная гидроэнергетика

Помимо небольшого количества выбросов CO 2 на мощность (кВт), гидроэнергетика может характеризоваться следующими характеристиками.

  • • Чрезвычайно высокий КПД в гидротурбинах и гидрогенераторах (всего около 90% при максимальном КПД)

  • • Короткое время пуска и останова (3-5 минут от запуска до достижения номинальной мощности)

  • • Способен выдерживать быстрые колебания мощности нагрузки (может переключаться с холостого хода на номинальную мощность примерно за 1 минуту)

  • • Простота и удобство эксплуатации и обслуживания по сравнению с другими системами выработки электроэнергии

  • • Низкие эксплуатационные расходы

Hydro power — экологически чистый природный источник энергии

«Гидроэнергетика» — это экологически чистая возобновляемая энергия, которая генерирует электроэнергию за счет использования потенциальной энергии воды.Он включен в естественный цикл Земли и предлагает чистую энергию.

Гидроэнергетические системы Toshiba находятся на высшем мировом уровне по достижениям и технологиям

В области турбин Фрэнсиса, которые получили наибольшее распространение, Toshiba находится на высшем уровне в мире по эффективности их генерации. Кроме того, в области генерации энергии с накопителем, рассчитанной на изменяющуюся пиковую нагрузку, Toshiba занимает лидирующие позиции в мире по достижениям и технологическому уровню на фоне тенденции к более высокому напору, большей емкости и переменной скорости.Toshiba не только проектирует, производит и поставляет основное оборудование, такое как гидротурбины и гидрогенераторы, но также поставляет различные компоненты, необходимые для электростанций, и предоставляет полный пакет инженерных услуг от закупок и установки до испытаний и пусконаладочных работ.

Гидротурбина: ядро ​​гидроэнергетики, преобразующее энергию воды в механическую энергию

Широкий выбор моделей для различных требований места установки

Гидротурбины доступны во многих типах и формах для соответствия условиям эксплуатации (напор, напор).Мы предлагаем гидротурбины для удовлетворения различных требований (географических условий), уникальных для каждой площадки установки гидроэлектростанции. Основные типы гидротурбин включают насос-турбины для гидроаккумулирующей энергии, турбины Фрэнсиса для среднего и высокого напора, турбины Каплана для низкого и среднего напора и баллонные турбины (которые используют энергию напора воды в качестве давления) для низкого напора. , и турбины Пелтона (которые напрямую используют потенциальную энергию в качестве энергии вращения) для высокого напора.

Гидротурбинные технологии высочайшего уровня в мире, произведенные в ведущей мировой лаборатории

Для создания высокоэффективных, высокопроизводительных и экологически чистых гидроэнергетических систем по всему миру Toshiba постоянно проводит исследования и разработки.У Toshiba есть ведущая в мире лаборатория гидравлических исследований, где испытания и исследования характеристик турбин и явлений жидкости проводятся с использованием уменьшенных моделей реальных турбин, чтобы всегда обеспечивать современные высокопроизводительные гидротурбины. Toshiba также работает над улучшением технологий анализа посредством тестирования моделей.

Стенд для испытания модели гидротурбины Пример анализа потока гидротурбины

Сплиттер-бегунок принят на насос-турбину как первый в мире корпус

Компания Toshiba впервые в мире применила сплиттер-бегун, в котором длинные и короткие лопатки расположены поочередно для насоса-турбины, для дальнейшего повышения эффективности генерации и перекачки, а также общей стабильности и производительности при выработке энергии с накопителем. система.

Принципиальная схема бегунка делителя
(используется для турбины Фрэнсиса)

Гидрогенератор для преобразования механической энергии, создаваемой гидротурбиной, в электричество

Обладая широким ассортиментом продукции, мы предлагаем всему миру высокую надежность и высокую производительность.

Гидротурбины подразделяются на высокоскоростные, средние, низкоскоростные и баллонные, в зависимости от напора и других факторов.Точно так же гидрогенераторы бывают разных форм и конструкций. Наиболее распространенный тип генератора для гидроаккумулирующих электростанций — это реверсивный тип, называемый двигателем-генератором. Toshiba имеет множество производственных достижений за более чем 120 лет и поставила различные типы высоконадежных, высокопроизводительных гидрогенераторов и двигателей-генераторов по всему миру.

Ротор двигателя генератора (для фиксированного типа) Ротор двигателя генератора (для регулируемого типа)

Системы контроля и управления, регулирующие работу гидроэлектростанций

Предлагают функции, подходящие для нужд малых и средних и крупных гидроаккумулирующих электростанций.

Системы контроля и управления — это центральное оборудование для работы гидроэлектростанции.Эти системы не только используются для ежедневного контроля и мониторинга работы, но также оснащены системой защиты для защиты оборудования в случае аварии, системой записи для записи информации об аварии и системой связи для связи между электростанцией и удаленная диспетчерская. Большинство гидроэлектростанций в Японии работают без участия человека с помощью дистанционного мониторинга и управления.

Интегрированная система управления

Мы разработали интегрированную систему управления, в которой различные функции, такие как основное управление, регулировка скорости, управление возбуждением, передача и защитное реле, разделены на модули.Эта интегрированная система управления обеспечивает экономию места и затрат, сокращение периодов строительства и испытаний на месте, а также консолидацию мониторинга и операций и применяется в основном для малых и средних гидроэлектростанций.

Система выработки электроэнергии с гидроаккумулирующим устройством с регулируемой скоростью, которая обеспечивает точную регулировку спроса и предложения путем изменения скорости вращения насос-турбины

Компания Toshiba впервые в мире представила двигатель-генератор с регулируемой скоростью на гидроаккумулирующей электростанции и создала идеальный гидрогенератор.

В 1990 году компания Toshiba впервые в мире поставила Tokyo Electric Power Company на электростанцию ​​Ягисава, блок 2, систему выработки электроэнергии с регулируемой скоростью с гидроаккумулятором.С момента признания их эффективности в Японии и за рубежом были построены и запланированы энергосистемы с регулируемой скоростью, оснащенные функцией автоматической регулировки частоты (AFC) во время работы насоса и другими полезными функциями.

Характеристики «системы выработки электроэнергии с гидроаккумулирующим устройством с регулируемой скоростью», которая отличается регулированием спроса и предложения электроэнергии

Системы выработки электроэнергии с гидроаккумулирующим устройством с регулируемой скоростью имеют такие особенности, как приведенные ниже, для возможности регулирования скорости вращения.

  • • Функция автоматической регулировки частоты во время откачки

  • • Повышенный КПД и расширенный рабочий диапазон как при генерировании, так и при откачке.

  • • Повышена стабильность электросети

  • • Функции поддержания напряжения сети

Малые и средние гидроэнергетические системы различного назначения

Широкий ассортимент продукции от стандартных единиц до системы под заказ

Малые и средние гидроэнергетические системы могут быть установлены для различных нужд, таких как плотины, реки, промышленное водоснабжение, сельскохозяйственное водоснабжение, водопроводные и канализационные сооружения.
Малые и средние гидроэнергетические системы Toshiba выпускаются пяти стандартных типов. Также доступна система изготовления на заказ, которая предлагает лучшее решение для ваших нужд.

Система по индивидуальному заказу с учетом планируемого места установки

Toshiba может проектировать, производить и устанавливать различные виды малых и средних высокоэффективных гидроэнергетических систем.Мы разработаем его специально для вашего запланированного сайта.
Тип гидротурбины различается в зависимости от напора и напора.

* Как читать диаграмму выбора гидротурбины Ось x показывает расход, а ось y показывает напор. Диагональные линии показывают мощность гидротурбины.

Компактный и простой по конструкции стандартный агрегат Hydro-eKIDS ™

Стандартный блок Hydro-eKIDS ™ доступен в пяти моделях для размещения различных напоров и разгрузок в местах установки.

Посмотрите на эффект от внедрения системы производства гидроэлектроэнергии

[Расчет выходной мощности]
Выходная мощность генерирующего объекта может быть получена с помощью следующего уравнения.

P = 9,8 × He × Q × η WT × η HG

  • • Выходная мощность
    Пример: Если He = 31,2 м, Q = 2 м 3 / с, ηWT = 0,88 и ηHG = 0.93,
    P = 9,8 × 31,2 × 2 × 0,88 × 0,93 ≈ 500 кВт

[Пример эффекта от внедрения]
Показывает пример эффекта от внедрения системы производства гидроэлектроэнергии мощностью 500 кВт с подключением к сети
Ожидается продажа электроэнергии примерно за 100 миллионов иен в год.

  • • Годовая выработка электроэнергии
    Пример: Если P = 500 кВт, коэффициент эксплуатации объекта = 80%,
    500 кВт × 24 часа × 365 дней × 0.8 (мощность объекта) ≈ 3 504 000 кВт · ч

  • • Годовая сумма продажи электроэнергии
    3 504 000 кВтч × 29 иен / кВтч ≈ 100 миллионов иен / год

    * Рассчитано на основе закупочной цены в Японии в 2017 финансовом году

  • • Эффект затрат
    Предполагая, что сумма капитальных вложений для внедрения генерирующего объекта мощностью 500 кВт составила 500 миллионов иен * ,
    инвестиции могут быть окупаемы через 5 лет (500 миллионов иен ÷ 100 миллионов иен / год ≈ 5 лет) .

    * Без учета других расходов, таких как налог на фиксированную недвижимость. Субсидии могут быть доступны в вашем местном муниципалитете. За информацией обращайтесь в местный муниципалитет.

[Методы работы]

* Работа системы требует обсуждения с местной энергетической компанией.

[Запрос справочной информации]

В запросе укажите следующую информацию.

Примечания к планированию

  • 1. Использование общественной речной или сельскохозяйственной воды для производства электроэнергии требует прав на воду.

  • 2. Установка энергетического оборудования требует административных процедур в компетентных органах.

  • 3.Для подключения генерирующего оборудования к сети энергокомпании требуется разрешение и согласование с энергокомпанией.

Знаете ли вы, для чего нужны гидроаккумуляторы?

СМОТРЕТЬ ИНФОРМАЦИЮ: Эксплуатация гидроаккумулирующей гидроэлектростанции [PDF]

Электростанция этого типа опирается на двух резервуаров на разных высотах, которые позволяют хранить воду при низком спросе и затем использовать для выработки энергии во время пикового потребления. умножить на , чтобы удовлетворить общий спрос на электроэнергию.

В непиковые часы, обычно по ночам в будние и выходные дни, используется избыточная генерирующая мощность, которая также имеет более низкую рыночную стоимость, для перекачки воды из резервуара нижнего уровня (1) в резервуар верхнего уровня с помощью гидравлического насоса, который продвигает воду через затвор (2) и конструкцию кондуктивного туннеля. Таким образом, верхний резервуар (3) действует как хранилище.

В часы пик, то есть в светлое время суток, насосная станция работает как обычная гидроэлектростанция: воды, накопленной в верхнем резервуаре, закрытом дамбой (4), направляется в нижний резервуар через токопроводящий туннель (5). На этом этапе вода проходит через затвор, где она приобретает кинетическую энергию, которая преобразуется в механическую энергию вращения в гидравлической турбине (6). Затем он превращается в электричество среднего напряжения и высокой интенсивности в генераторе (7). В некоторых случаях устанавливается уравнительный бак (8) для регулирования давления воды между входным и выходным туннелями.

На следующем этапе трансформаторы (9) передают электроэнергию, произведенную на заводе, для потребления домами и предприятиями, которые образуют часть сети (10), по высоковольтным линиям электропередачи.

После выработки электроэнергии вода через дренажный канал (11) попадает в нижний резервуар, где снова накапливается.

Насосные гидроэлектростанции, таким образом, обеспечивают эффективное хранение энергии, предлагают долгосрочное решение и способствуют интеграции возобновляемых источников энергии в систему и обеспечивают высокую отдачу.

ВЕЛИКИЕ ПРИМЕРЫ НАКАЧИВАНИЯ ГИДРОЭНЕРГИИ

La Muela II — крупнейшая гидроаккумулирующая электростанция в Европе, расположенная на водохранилище Кортес-де-Паллас на правом берегу реки Хукар. Его годовая выработка составляет около 800 гигаватт-часов (ГВт-ч), чего достаточно для обеспечения потребления электроэнергии почти 200 000 домохозяйств, что в два раза больше, чем у комплекса Cortes-La Muela, чтобы достичь 1,625 ГВт-ч — годовой потребности почти 400 000 семей -. На заводе есть зал с четырьмя группами реверсивных турбин, что позволяет использовать разницу высот в 500 метров между искусственной плотиной Ла-Муэла и водохранилищем Кортес-де-Паллас для производства электроэнергии.

Еще одна крупная инициатива испанской группы по откачке — гидроэлектростанция Tâmega, которая будет включать строительство трех новых электростанций на одноименной реке, притоке Дуэро, расположенной в северной Португалии, недалеко от Порту.Общая установленная мощность трех электростанций составит 1158 МВт, что на 6% больше общей установленной электрической мощности в стране. Комплекс будет способен производить 1766 ГВтч в год, что достаточно для удовлетворения энергетических потребностей соседних городов и городов Брага и Гимарайнш (440 000 домов). Таким же образом, он внесет в электрическую систему Португалии почти 900 МВт насосной мощности, что означает увеличение на 40% по сравнению с перекачиваемыми мегаваттами, которые в настоящее время обеспечивает страна.

Гидроэнергетика и окружающая среда — Управление энергетической информации США (EIA)

Гидроэлектростанции производят чистую электроэнергию, но гидроэнергетика влияет на окружающую среду

Большинство плотин в Соединенных Штатах было построено в основном для борьбы с наводнениями, городского водоснабжения и оросительной воды. Хотя многие из этих плотин имеют гидроэлектрические генераторы, только небольшое количество плотин было построено специально для производства гидроэлектроэнергии. Генераторы гидроэнергетики не выделяют загрязняющие вещества напрямую в атмосферу.Однако плотины, водохранилища и работа гидроэлектрических генераторов могут повлиять на окружающую среду.

Плотина, образующая водохранилище (или плотина, отводящая воду к русловой гидроэлектростанции), может препятствовать миграции рыб. Плотина и водохранилище также могут изменять естественную температуру воды, химический состав воды, характеристики речного стока и иловые нагрузки. Все эти изменения могут повлиять на экологию и физические характеристики реки. Эти изменения могут иметь негативные последствия для местных растений и животных в реке и вокруг нее.Водохранилища могут охватывать важные природные территории, сельскохозяйственные угодья или места археологических раскопок. Водохранилище и эксплуатация плотины также могут привести к переселению людей. Физические воздействия плотины и водохранилища, работа плотины и использование воды могут изменить окружающую среду на гораздо большей площади, чем та, которую покрывает водохранилище.

Производство бетона и стали на плотинах гидроэлектростанций требует оборудования, которое может производить выбросы. Если ископаемое топливо является источником энергии для производства этих материалов, тогда выбросы от оборудования могут быть связаны с электричеством, которое вырабатывают гидроэнергетические объекты.Однако, учитывая длительный срок эксплуатации гидроэлектростанции (от 50 до 100 лет), эти выбросы компенсируются безвыходной гидроэлектростанцией.

Парниковые газы (ПГ), такие как углекислый газ и метан, образуются в естественных водных системах и в искусственных водохранилищах в результате аэробного и анаэробного разложения биомассы в воде. Точное количество парниковых газов, которые образуются и выбрасываются из водохранилищ гидроэлектростанций, является неопределенным и зависит от многих конкретных мест и региональных факторов.

Рыболовная лестница на плотине Бонневиль на реке Колумбия, разделяющей Вашингтон и Орегон

Источник: стоковая фотография (защищена авторским правом)

Дамба Safe Harbour на реке Саскуэханна в Пенсильвании оборудована лифтами, которые поднимают мигрирующую шаду от основания плотины к вершине водохранилища.

Рыбные лестницы помогают лососям добраться до нерестилищ

Гидроэнергетические турбины убивают и травмируют некоторых рыб, проходящих через турбину.Министерство энергетики США спонсировало исследования и разработку турбин, которые могут снизить гибель рыбы до уровня менее 2% по сравнению с гибелью рыбы на 5–10% для лучших существующих турбин.

Многие виды рыб, такие как лосось и шед, подплывают вверх по рекам и ручьям из моря, чтобы размножаться на нерестилищах в руслах рек и ручьев.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Страна Малая гидроэнергетика определяется установленной мощностью / МВт
Бразилия ≤30
Канада & lt; 50
902 902 902 902 902 902 902 902 ЕС ≤20
Индия ≤25
Норвегия ≤10
Швеция ≤1,5 ​​
США