3 Источник энергии. Энергетические ресурсы

Для всех естественных процессов в пределах биосферы наиболее существенными явля­ются энергетические факторы. Появление и развитие различных форм жизни в первую очередь зависит от функционирования энергетических ис­точников. Для нашей планеты основным источником энер­гии является Солнце. Поглощаемая Землей энергия излу­че­ния Солнца в десятки раз превышает потребляемую чело­вечеством. Про­цесс преобразова­ния энергии света в энергию химических связей органических веществ называют фото­синтезом. Исходными соединениями для фотосинтеза служат простые, низкой энергии неорганические вещества СО₂ и Н₂О:

6СО₂+6Н₂О^С₆Н₁₂О₆+6О₂ (2)

Животные потребляют энергию, накопленную раститель­ностью. Человек потребляет энергию Солнца различными путями, в том числе с пищей, которая обеспечивает его рабо­тоспособность. Неиспользованная часть энергии накапли­вается в виде веществ, способ­ных высвобождать ее при оп­ределенных условиях. Эти вещества называют ископаемым топливом (невозобновляемые источники энергии) - основ­ной источник энергии в совре­менном хозяйстве, а также важнейшее промышленное сырье.

Теплоту сгорания топлива определяют экспериментально. Для этого служат специаль­ные приборы - калориметры. Теп­лота сгорания основных видов органического топлива ко­леб­лется от 6 200-7 500 кДж/кг (многозольные сланцы, высоко­влажный торф, бурый уголь) до 25 000-29 000 кДж/кг (высо­кокалорийный каменный уголь) и 33 000 кДж/кг (нефте­продукты и газ).

Рисунок 2 – Классификация возобновляемых источников энергии

Возобновляемые источники энергии - источники, пото­ки энергии которых посто­янно существуют или периоди­чески возникают в окружающей среде (рис. 2).

К ним относят энергию: прямого излучения Солнца, ветра, мирового океана (энергия приливов, волн), рек, морс­ких течений, морских водорослей, биомассы, водотоков, гео­тер­мальных источников (энергия внутреннего тепла Земли), "холодную" (получение энерго­носителей путем физико-хи­мических процессов, протекающих при низких температу­рах), нетрадиционных источников энергии, получаемую при непосредственном преобразо­вании химической энергии орга­нического топлива в электрическую - создание топливных элементов и др. энергетических ресурсов.

Энергия, которая содержится в природных источниках и может быть преобразована в механическую, тепловую, элек­трическую, химическую, называют первичной.

Энергия, получаемая человеком после преобразования первичной энер­гии на специальных установках – станциях, называется вторичной (электриче­ская энергия, энергия пара, горячей воды и т.д.). В настоящее время широко ведутся работы источников энергии: солнечной, ветра, приливов, теплоты земли (нетрадиционные виды энергии).

Любой источник энергии, естественный или искусствен­но активизированный, называют энергетическим ресурсом. По способу использования первичные энергетические ре­сурсы подразделяют на топливные и нетопливные, по признакам сохранения запасов на возобновляемые и невозобновляемые. В современном природополь­зовании энергетические ресурсы классифицируют на три группы:

- участвующие в постоянном обороте и потоке энергии (солнечная энергия, энергия потоков воды и воздушных масс и т. д.);

- депонированные (уголь, нефть, газ и т. д.);

- искусственно активизированные (ядерная и термоядер­ная энергия).

Использование энергетических ресурсов является одной из основных форм природопользования. Область обществен­ного производства, охватываю­щая энергетические ресурсы, получение, преобразование, транспортировку и использова­ние различных видов энергии, называется энергетикой. Энергетика функционирует в рамках энергосистем. В энер­госистемы входят традиционная и нетрадиционная энерге­тика. Традиционная энергетика использует ископае­мые энер­гические ресурсы (уголь, нефть, газ), а также торф, дрова и другое ор­ганическое и синтетическое топливо, энергию, вы­деляющуюся при распаде ядер (ядерное топливо), гидроэнер­гию рек, нетрадиционная - возобновляемые источники энер­гии (солнечную энергию, энергию ветра, энергию биомассы, геотермальную энергию и др.).

4.

Способы получения, транспортировки, преобразова­ния и использо­вание энергии

Мировые запасы нефти сосредоточены в географических районах, не совпадающих с районами ее переработки и по­требления, благодаря чему существуют международные по­токи нефти.

Сырая нефть и продукты ее переработки (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут и др.) транспортируются по трубопро­водам, водным и, реже, железнодорожным и автомобильным транспортом. Основная часть природного газа транс­портируется по трубопроводам, незначительное ко­личество - в сжиженном виде специальными танкерами, железнодорож­ным и автомобильным транспортом в цистернах и баллонах.

Основная часть угля используется в странах, его добыва­ющих. Транспор­тировка угля осуществляется железнодо­рожным и водным транспортом, более энергозатратным, чем трубопроводный. Осваивается транспортировка угля по тру­бопроводам в контейнерах в виде пульпы (50 % — измель­ченный уголь, 50 % - вода).

Для транспортировки ядерного топлива создаются спе­циальные контей­неры, которые оснащены защитными обо­лочками, снижающими радиоактивное излучение до норма­тивных пределов.

Извлеченное топливо транспортируется на пе­реработку, а переработанное - к месту потребления.

Экономическая эффективность различных видов топли­ва зависит от ко­эффициента извлечения, материальных и энергетических затрат на добычу, транспортировку, пере­работку топлива, а также затрат на возмещение причи­нен­ного при этом ущерба окружающей среде.

Для нефти коэффициент извлечения составляет 0,3-0,4. Добыча нефти - хорошо отработанный технологический процесс.

Рисунок 3 – Получение тепловой и электрической энергии.

Электрическая и тепловая энергия производится (рис. 3):

- на тепловых электрических станциях (ТЭС) на органическом топливе с использованием в турбинах водного пара (паротурбинные установки – ПТУ); продуктов сгорания – ГТУ, их комбинаций (паровые установки – ПГТУ);

- на гидравлических электрических станциях (ГЭС), использующих энер­гию падающего потока воды, течения;

- на атомных электростанциях АЭС, использующих энергию ядерного рас­пада.

Тепловые электрические станции (ТЭС).

Их можно разделить на конденсационные электрические станции (КЭС), производящие только электроэнергию, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) - элек­трические станции с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии.

Тепловые электростанции работают по такому принципу: топ­ливо сжигается в топке парового котла. Выделяющееся при горении тепло испаряет воду, циркулирующую внутри распо­ложенных в котле труб, и перегревает образовавшийся пар. Пар, расширяясь, вращает турбину, а та, в свою очередь, — вал электрического генератора. Затем отработавший пар кон­денсируется; вода из конденсатора через систему подогрева­телей возвращается в котел.

Рассмотрим схему производства электрической энергии на ТЭС, работаю­щей на твердом топливе. 60% всех генерирующих мощностей России приходится как раз на долю ТЭС – тепловых электростанций, использующих паротурбинные установки.

В отличие от паровых турбин, газовые в качестве рабочего тела используют не воду, как в парогенерато­рах, а газ, образующийся в процессе сгорания топлива (обычно – природного газа). Это позволяет увели­чить эффективность работы и тепловую экономичность таких генераторов.

Цикл работы ГТУ выглядит следующим образом: продукты сгорания топлива поступают в компрессор, где доводятся до критических параметров давления и температуры, на выходе из компрессора они попа­дают на лопатки турбины, приводя в движение одновременно и ротор электрогенератора.

Отработавшие газы выводятся в атмосферу. Принципиальная схема работы ГТУ представлена на рисунке 4.

КС – камера сгорания топлива ГТ – газовая турбина ЭГ – электрогенератор К – компрессор

КА – котлоагрегат ПТ – паровая турбина ЭГ – электрогенератор К – конденсатор

Рисунок 4 – Газотурбинные Рисунок 5 - Паротурбинные

установки (ГТУ) установки (ПТУ)

Теплоэлектроцентраль отличается от конденсационной станции установ­ленной на ней специальной теплофикационной турбиной с отбором пара. На ТЭЦ одна часть пара полностью используется в турбине для выработки электроэнергии в генераторе и затем посту­пает в конденсатор, а другая, имеющая большую температуру и давление (на рис. штриховая линия), отбирается от промежуточной ступени турбины и используется для теплоснабжения (рис. 5).

Мини-ТЭЦ - электростанция с комбинированным производством электроэнергии и тепла, расположенная в непо­средственной близости от конечного потребителя.

В качестве источника энергии в мини-ТЭЦ используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС): дизельные, га­зовые и газотурбинные.

Такие установки окупают себя в течение 2,5-5 лет. А автономность мини-ТЭЦ, производящих электроэнергию и тепло на месте потребления, даёт гарантию от перебоев или аварийных отключений, которые неизбежны из-за изношенности электрических и тепловых сетей. Срок службы самих двигателей - до 200 000 моточасов, или 25 лет, при эксплуатации по 8 000 часов в год делает мини-ТЭЦ надежнейшим источником бесперебойного энерго­обеспечения (рис. 6).

Км – компрессор ГТ – газовая турбина КА – паровой котлоагрегат ПТ – паровая турбина К - конденсатор ЭГ 1 – электрогенератор газового цикла ЭГ 2 – электрогенератор теплового цикла КС – камера сгорания топлива

Рисунок 6 – Схема мини ТЭЦ Рисунок 7 – Схема парогазовой

на базе ДВЗ установки ПГУ

Турбина вместе с котлом, питающим ее паром, образует моноблок. Топливо сгорает в топочной камере парового котла с выделением теплоты. Эта энергия передается рабочему телу – воде, превращая ее в насыщенный пар, а затем в перегретый.

ПГУ совмещают в себе принципы работы паровых и газовых турбин (рис. 7).

Парогазовые турбины используют и газ, и воду в качестве рабочего тела турбины. Сначала топливо сжи­гается в газотурбинной установке, после чего прошедший через турбину газ используется для нагревания воды в котле и работы по обычному паровому циклу.

Парогазовые турбины обладают более высоким КПД, но меньшей маневренностью.

Фактически, парогазовые турбины – это один из наиболее эффективных промышленных способов произ­водства электроэнергии.

В Беларуси осуществляется программа строительства малых, мини-ТЭЦ и новых котельных на древесных отходах, реконструк­ции действующих котельных с переводом их на древесное топливо..

Гидроэлектростанции.

Основным рабочим органом гидроэнергетической установки, непосредст­венно преобразующей энергию движения воды в кинетическую энергию сво­его вращения является гидротурбина (КПД турбины до 95%).

В схему входят: водохранилище, подводящий водовод, регулятор расхода воды, гидротурбина, электрогенератор, система контроля и управления пара­метрами генератора (рис. 8).

Рисунок 8 – Принцип работы гидроэлектростанции

Гидроэлектростанция в статическом состоянии состоит из лопастей 1, жестко связанных с осью 2. Ось 2 устанавливается на опорном подшипнике 3, размещенном в бетонном корпусе 4, установленном на берегу реки. На бетонном корпусе 4 закрепляется на анкерных болтах 5 металлический кронштейн 6, на котором установлена муфта 7, генератор 8 и подшипник 9 оси 2.

Ширина лопасти конструктивно определяется суммой разницы максимального и минимального уровней реки в данном месте и величиной ширины части лопасти, которая обеспечивает устойчивое вращение турбины при минимальном уровне водной поверхности.

От длины лопастей зависит мощность гидроэлектростанции.

Преимуществами предлагаемой гидроэлектростанции являются удобство обслуживания из-за установки на берегу, ее повышенный по сравнению с прототипом КПД из-за размещения муфты и генератора на открытом воздухе и отсутствия их герметизации, из-за размещения лопастей в верхних слоях течения реки, из-за применения определенного соотношения в ширине лопасти, простота изготовления конструкции и уменьшение ее металлоемкости.

Атомные электростанции.

Принципиальная схема АЭС с ядерным реактором, имеющим водяное охлаждение, приведена на рис.9. Тепло, выделяется в активной зоне реактора, вбирается водой (теплоносителем) 1-г кон­тура, которая прокачивается через реактор циркуляционным насосом. Нагретая вода из реактора посту­пает в теплообменник (парогенератор) 3, где передаёт тепло, полученное в реакторе воде 2-го контура. Вода 2-го контура испаряется в парогенераторе, и образуется пар поступает в турбину 4.

Наиболее часто на АЭС применяют четыре типа реакторов на тепловых нейтронах:

1) водоводяные с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя;

2) графитоводные с водяным теплоносителем и графито­вым замедлителем;

3) тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжёлой водой в качестве замедлителя;

4) графитогазовые с газовым теплоносителем и графитовым замедлителем.

Выбор преимущественно применяемого типа реактора определяется главным образом накопленным опы­том в реактороносителе а также наличием необходимого промышленного оборудования, сырьевых запа­сов и т. л. В России строят главным образом графитоводные и водоводяные реакторы. На АЭС США наи­большее распространение получили водоводяные реакторы. Графитогазовые реакторы применяются в Англии. В атомной энергетике Канады преобладают АЭС с тяжеловодными реакторами.

Р исунок 9 - Принципиальная схема АЭС: 1 — ядерный реактор; 2 — циркуляционный насос; 3 — теплообменник; 4 — турбина; 5 — генератор электрического тока.

При сжигании 1 кг каменного угля можно получить 8 кВт·ч. электроэнер­гии, а при расходе 1 кг ядерного топлива вырабатывается 23 млн.кВт·ч. электроэнергии.

Отработавший в турбине пар конденсируется, и конденсат питательным насосом подается в реактор. Недостатки: вода на выходе из реактора становится радиоактивной, что предъявляет повышенные требования к биологической защите.

Существуют двухконтурные и трехконтурные системы, где в качестве теплоносителя используется жидкий натрий.

Котельные.

Котельные предназначены для централизованного теплоснабжения промышленности и жилищно-коммунального хозяйства, а также для покрытия пиковых тепловых нагрузок в теплофикационных системах. В котельных устанавливают котлы или паровые котлы низкого давления.

Модульная котельная  предназначена для теплоснабжения и горячего водоснабжения жилых,  культурно-бытовых и производственных объектов теплопроизводительностью от 95 кВт до 12 МВт. Полностью  исключаются  затраты на строительство  капитального здания. Каждая  модульная котельная имеет высокий КПД и автоматически обеспечивает оптимальный  режим работы всего отопительного оборудования, при этом она  производит столько тепла и горячей воды, сколько требуется потребителю  в данный момент. Таким образом достигается максимальная экономия  топлива.

Закон сохранения энергии. Сумма всех видов энергии остается постоянной, что, в конечном счете, приводит к утверждению: энергия никогда не создается и не уничтожается, она только переходит из одного вида в другой.

Анализ функционирования топливно-энергетических объектов показывает, что экономически наиболее эффективны электростанции, не имеющие громоздкого топливного цикла: гидроэлектростанции, солнечные, ветряные, геотермальные и ряд других на возобновляемых источниках.

Вопросы для самоконтроля.

1. Дайте определение энергии. Назовите классификацию видов и форм энергии.

2. Что называется возобновляемыми и невозобновляемыми источниками энергии?

3. Что называется первичной и вторичной энергией?

4. Дайте определение энергетического ресурса. Назовите классификацию энергетических ресурсов.

5. Что называется энергетикой?

6. На каких станциях-установках можно получить электрическую и тепловую энергию?

7. Назовите классификацию и дайте описание тепловых электростанций.

8. Опишите основной принцип работы гидроэлектростанций.

9. Опишите основной принцип работы атомной электростанции.