Теплоэнергетика – это отрасль промышленности, которая занимается преобразованием теплоты в другие виды энергии. Она объединяет электростанции, работающие на ископаемом топливе. Уголь, нефть, природный газ являются наиболее часто используемыми источниками энергии в мире. Например, в РФ 358 тепловых станций вырабатывают более 60% всей генерируемой электроэнергии. Они по-прежнему имеют преимущество по сравнению с электростанциями, работающими от возобновляемых источников.
Ископаемое топливо: характеристика, проблематика
Природные запасы ископаемого топлива – это модифицированные продукты распада животных и растений, погибших миллионы лет назад. Когда они сжигаются на специализированных предприятиях, выделяется тепловая энергия, которая применяется для производства электрической.
Теплоэнергетика России
Сегодня переход на чистые возобновляемые источники энергии является политической задачей всего мира. Это обусловлено тем, что ископаемое топливо будет исчерпано в течение последующих 200 лет, а мировые поставки сырой нефти и природного газа, по оценкам специалистов, иссякнут в течение 100 лет.
Но есть и преимущества ископаемого топлива:
- Высокая эффективность. Оно может быть добыто относительно дешевым способом, а транспортировка его сравнительно быстра и удобна.
- Технологии, необходимые для генерирования электроэнергии, давно отработаны, оборудование является надёжным, его легче приобрести и эксплуатировать, чем, например, устройства для солнечных или ветровых электростанций.
Помимо того, что запасы ископаемого топлива постепенно истощаются, главным недостатком процесса извлечения энергии этим способом является негативное воздействие на окружающую среду. Горение сопровождается образованием тяжелых твердых частиц и высоким выбросом углекислого газа.
Каменный уголь более качественный, но многие электростанции используют бурый, который добывать намного дешевле. Количество получаемой энергии в расчете на 1 кг веса бурого угля по сравнению с каменным примерно в 3 раза ниже (первого – 3 кВт⋅ч на кг, второго – 9 кВт⋅ч на кг). Поэтому на электростанциях, работающих на буром угле, необходимо сжигать тройную массу на единицу энергии.
Для уменьшения ущерба, наносимого окружающей среде, ТЭС имеют высотные дымоходы, которые рассеивают эти частицы и локально уменьшают их вредное влияние. Кроме того, на электростанциях устанавливаются дымоходные фильтры.
Ядерная электроэнергетика
Как и в предыдущем случае, при рассмотрении ядерной электроэнергетики можно многое почерпнуть уже из названия. Выработка электроэнергии в данном случае производится на атомных реакторах, где происходит расщепление атомов и деление их ядер – в результате этих действий происходит большой выброс энергии, которая затем и трансформируется в электрическую. Вряд ли кому-то еще неизвестно, что это самая небезопасная электроэнергетика. Промышленность далеко не каждой страны имеет свою долю в мировом производстве ядерной электроэнергии. Любая утечка из такого реактора может привести к катастрофическим последствиям – достаточно вспомнить Чернобыль, а также происшествия в Японии. Однако в последнее время безопасности уделяется все больше внимания, поэтому атомные электростанции строятся и дальше.
Как функционируют тепловые электростанции
Принцип действия тепловых электростанций практически одинаков и не зависит от вида ископаемого топлива. Отличается только предварительная обработка и конструкция горелок и печей.
Поступающее топливо сжигается, а вода в котлах нагревается до кипения. Образующийся пар приводит в движение турбину, которая связана с ротором генератора и вызывает его вращение. Напряжение генерируемого переменного тока повышается трансформаторами, а затем транспортируется по линиям электропередачи и через сеть понижающих подстанций поступает к потребителям.
Большая тепловая электростанция состоит из одного или нескольких блоков, которые могут работать в значительной степени независимо друг от друга. Каждый имеет свое оборудование – паровые турбины и электрогенераторы.
Альтернативная электроэнергетика
Альтернативная электроэнергетика – это собрание видов электроэнергетики, отличных от традиционных в основном тем, что они не требуют нанесения того или иного вида вреда окружающей среде, а также не подвергают никого опасности. Речь идет о водородной, приливной, волновой и многих других разновидностях. Самым распространенными из них являются ветро- и гелиоэнергетика. Именно на них делается акцент – многие считают, что именно за ними будущее данной отрасли. В чем суть этих видов?
Ветроэнергетика – это получение электроэнергии из ветра. В полях строятся ветряные мельницы, которые работают очень эффективно и позволяют обеспечивать энергией ненамного хуже, чем описанные ранее методы, но при этом для действия ветряков нужен только лишь ветер. Естественно, недостатком данного метода является то, что ветер – это природная стихия, которую невозможно себе подчинить, однако ученые работают над улучшением функциональности ветряных мельниц современности. Что касается гелиоэнергетики, то здесь электроэнергия получается из солнечных лучей. Как и в случае с предыдущим видом, здесь также необходимо работать над увеличением аккумулирующей мощности, так как солнце светит далеко не всегда – и даже если погода безоблачная, в любом случае в определенный момент наступает ночь, когда солнечные панели не способны производить электроэнергию.
КПД тепловых электростанций
Эффективность тепловых электростанций ограничена. Наибольший КПД – 60%. Он достигается на парогазовых электростанциях, а на современных угольных – ниже 50%, на старых – всего 40%. Указанные показатели эффективности применимы к работе при полной нагрузке. При частичной КПД может значительно снизиться.
Практически все крупные электростанции, за исключением ГЭС, являются тепловыми, во многих странах они производят большую часть электроэнергии. Из-за их ограниченной эффективности образуется значительное количество отработанного тепла, использование которого на месте возможно только в малом объеме. Поэтому оно выбрасывается в атмосферу через градирни, иногда через охлаждающую воду в реки.
Существуют ТЭС только для выработки электроэнергии и ТЭЦ – теплоэлектроцентраль. Последние предназначены также для использования вырабатываемого тепла посредством его транспортировки в отопительные системы и трубопроводы горячего водоснабжения. КПД ТЭЦ намного выше, он может превышать 70%.
Новые технологии сжигания угля
КПД современных ТЭЦ ограничен 34 %. Абсолютное большинство тепловых электростанций до сих пор работают на угле, что объясняется весьма просто — запасы угля на Земле по-прежнему громадны, поэтому доля ТЭС в общем объеме выработанной электроэнергии составляет около 25 %.
Процесс сжигания угля многие десятилетия остается практически неизменным. Однако и сюда пришли новые технологии.
Чистое сжигание угля (Clean Coal)
Особенность данного метода состоит в том, что вместо воздуха в качестве окислителя при сжигании угольной пыли используется выделенный из воздуха чистый кислород. В результате, из дымовых газов удаляется вредная примесь – NОx. Остальные вредные примеси отфильтровываются в процессе нескольких ступеней очистки. Оставшийся на выходе СО2 закачивается в емкости под большим давлением и подлежит захоронению на глубине до 1 км.
Метод «oxyfuel capture»
Здесь также при сжигании угля в качестве окислителя используется чистый кислород. Только в отличие от предыдущего метода в момент сгорания образуется пар, приводящий турбину во вращение. Затем из дымовых газов удаляются зола и оксиды серы, производится охлаждение и конденсация. Оставшийся углекислый газ под давлением 70 атмосфер переводится в жидкое состояние и помещается под землю.
Метод «pre-combustion»
Уголь сжигается в «обычном» режиме – в котле в смеси с воздухом. После этого удаляется зола и SO2 – оксид серы. Далее происходит удаление СО2 с помощью специального жидкого абсорбента, после чего он утилизируется путем захоронения.
История тепловой энергетики и перспективы развития
Первую теплоэлектростанцию построил немецкий инженер Зигмунд Шуккерт в Баварии в 1878 году. С ее помощью освещался грот в саду замка Линдерхоф. В 1882 году были введены в эксплуатацию электростанция в Лондоне, которая использовалась для электрического освещения, и в Нью-Йорке (500 кВт). На них применялись поршневые паровые двигатели.
Изобретение паровой турбины позволило строить более крупные и эффективные установки, и с 1905 года тепловые электростанции стали возводиться только с турбинами.
В России первая тепловая электростанция общего пользования мощностью 35 кВт была построена в 1883 году в Санкт-Петербурге. Она предназначалась для подачи электроэнергии на освещение Невского проспекта. Московская ГЭС-1 (городская электростанция) появилась в 1897 году. Ее мощность составляла 3,7 мВт.
Структура тепловых электростанций в России на сегодняшний день:
- с паровыми турбинами – 79% от общей мощности;
- с парогазовыми агрегатами – 15,5%;
- с газотурбинными агрегатами – 4,8%;
- с дизельными и газопоршневыми установками – 0,7%.
Переход к выработке электроэнергии от возобновляемых источников не так прост, хотя это желаемое направление развития электроэнергетики для человечества. В ближайшее время отказаться от тепловой энергетики будет невозможно, и она сохранит свою доминирующую роль.
Главным направлением развития этой отрасли является разработка прогрессивных технологий, которые позволят снизить количество вредных выбросов в атмосферу, а также повысить эффективность работы теплоэлектростанций.
Что это такое?
Итак, в первую очередь необходимо разобраться, что вообще представляет собой данная отрасль. Электроэнергетика – это подразделение энергетики, которое отвечает за производство, распределение, передачу и продажу именно электрической энергии. Среди других отраслей данной сферы именно электроэнергетика является самой популярной и распространенной сразу по целому ряду причин. Например, из-за легкости ее дистрибуции, возможности передачи ее на огромные расстояния за кратчайшие промежутки времени, а также из-за ее универсальности – электрическую энергию можно без проблем при необходимости трансформировать в другие виды энергии, такие как тепловая, световая, химическая и так далее. Таким образом, именно развитию данной отрасли огромное внимание уделяют правительства мировых держав. Электроэнергетика – это отрасль промышленности, за которой будущее. Именно так считают многие люди, и именно поэтому вам необходимо более детально ознакомиться с ней с помощью данной статьи.
Крупнейшие тепловые электростанции
Самыми крупными являются гидроэлектростанции, но тепловые также обладают внушительной мощностью.
Крупнейшими в мире считаются:
- Теплоэлектростанция в Шоаибе (Саудовская Аравия). В качестве топлива используют мазут или сырую нефть. Ее мощность – 5600 мВт. Расположена на побережье Красного моря. Пресная вода, необходимая для работы электростанции, поставляется установками по опреснению морской, которые в свою очередь снабжаются электроэнергией от станции.
- Сургутская ГРЭС-2. Самая мощная газовая электростанция в мире.
- Тайчжунская ТЭС (Тайвань). Может претендовать на 2 рекорда: с установленной мощностью 5500 мВт – это крупнейшая угольная электростанция в мире, в то же время ни одна другая ТЭС не производит больше углекислого газа – ежегодные его выбросы соответствуют годовым выбросам СО2 Швейцарии.
Избыток электрогенерирующих мощностей
Электроэнергетика России находится уже в гораздо более хорошем состоянии, чем десять лет назад, так что можно смело сказать, что прогресс идет. Однако на недавно проведенном энергетическом форуме были выявлены основные проблемы этой отрасли в стране. И первая из них – избыток электрогенерирующих мощностей, который был вызван массовой постройкой электростанций низкой мощности в СССР вместо строительства малого количества электростанций высокой мощности. Все эти станции все равно нужно обслуживать, поэтому выхода из ситуации два. Первый – это вывод мощностей из эксплуатации. Этот вариант был бы идеальным, если бы не огромные стоимости такого проекта. Поэтому Россия, скорее всего, будет двигаться в сторону второго выхода, а именно увеличения объема потребления.
Крупнейшие тепловые электростанции России
Сургутская ГРЭС-2
Мощнейшая электростанция в России и самая крупная из работающих на газе в мире. Принадлежит ПАО «Юнипро». Полностью введена в эксплуатацию в 2011 г. Топливом служат природный газ – 30% и попутный нефтяной – 70%. Имеет 8 энергоблоков общей мощностью 5 657,1 мВт. Среднегодовая выработка электроэнергии – 39 млн кВт⋅ч.
Расположена в городе Сургуте в Тюменской области. Одна из самых эффективных российских ТЭС с условным расходом топлива – от 225 до 306 г/кВт⋅ч. Ее коэффициент использования установленной мощности несколько лет подряд превышал 80%. Тепловая производительность – 840 Гкал/ч.
Рефтинская ГРЭС
Мощнейшая твердотопливная электростанция России. Расположена в 100 км от города Екатеринбурга. Собственник – «Кузбассэнерго». Суммарная мощность десяти ее энергоблоков составляет 3 800 мВт. Среднегодовая выработка электроэнергии – 20 млн кВт⋅ч. Топливом служит каменный уголь Экибастузского месторождения.
Рефтинская ГРЭС
Покрывает 40% энергопотребления Свердловской области. Основные потребители – промышленные предприятия Свердловской, Челябинской и Тюменской областей, Пермского края. Возведение первой очереди Рефтинской ГРЭС продолжалось с 1963 по 1975 год, второй этап строительных работ закончен в 1980 году. Одна из дымовых труб станции входит в число высочайших в мире (330 м).
Костромская ГРЭС
Построена в Костромской области на берегу Волги. Находится в составе Группы «Интер РАО». На станции установлены 8 генераторов по 300 мВт и один на 1200 мВт. Суммарная мощность – 3600 мВт. Основное топливо – природный газ, в качестве резерва используется мазут. Энергоблоки отечественного производства по 300 мВт впервые были установлены на этом предприятии для опытной эксплуатации так же, как и последний энергоблок с уникальной конструкцией.
Костромская ГРЭС снабжает электроэнергией области Центральной части РФ, а также осуществляет экспортные поставки. Она вырабатывает 3% всей российской электрической энергии.
Пермская ГРЭС
Мощнейшая электростанция Пермского края, находится на расстоянии 70 км от Перми. Собственник – «Интер РАО». Работает на природном газе. Общая мощность 4 энергоблоков – 3 363 мВт. Станция обладает современной системой управления, установленной швейцарской компанией АВВ и финскими фирмами Valmet и Energico.
Потребители электроэнергии – расположенные в данном регионе нефтедобывающие, нефтеперерабатывающие, нефтехимические предприятия, а также промышленные компании Верхнекамского узла (металлургические, лесоперерабатывающие, извлекающие полезные ископаемые).
Сургутская ГРЭС-1
Это первая теплоэлектростанция, построенная в городе Сургуте Тюменской области. Функционирует она на природном газе (60%) и попутном нефтяном (40%). Имеет 16 энергоблоков суммарной мощностью 3 333 мВт. Собственник – ПАО «ОГК-2».
Сургутская ГРЭС-1
Станция введена в эксплуатацию в 1972 году, когда был запущен первый энергоблок. В дальнейшем (вплоть до 1983 года) ежегодно вводили в эксплуатацию по дополнительному блоку. Среднегодовая выработка электроэнергии – около 20 млн кВт⋅ч. Потребителями являются нефтегазодобывающие предприятия Тюменской области.
Рязанская ГРЭС
Находится в Рязанской области в городе Новомичуринске. Принадлежит ПАО «ОГК-2». Содержит 7 энергоблоков, общая мощность – 3 130 мВт. Теплоэлектростанция функционирует на природном газе и каменном угле, а резервным топливом является мазут.
Первоначально станция строилась для работы на буром угле Подмосковного угольного бассейна. В 1984 году 5-й и 6-й блоки перевели на газ, а в 2008 г. рядом расположенная ГРЭС-24, работающая на газе, вошла в состав электростанции и получила название 7-го энергоблока. Максимальная годовая выработка электроэнергии достигала 9517 млн кВт⋅ч.
Киришская ГРЭС
Считается филиалом ПАО «ОГК-2». Это самая мощная теплоэлектростанция в Северо-Западном регионе. Находится в г. Кириши, в 150 км от Санкт-Петербурга. Электрическая мощность – 2 595 мВт, тепловая – 1234 Гкал/ч.
При проектировании ГРЭС в качестве топлива планировалось использовать мазут, а затем все котлы перевели на природный газ. Станция подает тепло и горячую воду в г. Кириши, тепловой энергией обеспечиваются также строительные, промышленные и сельскохозяйственные компании. Ее доля в производстве тепла – 43% от всех реализуемых теплоэлектростанций ПАО «ОГК-2».
Конаковская ГРЭС
Принадлежит к числу самых крупных в Центральной части РФ и расположена в Тверской области в г. Конаково. Собственник – «Энел Россия». Ранее станция функционировала на мазуте, который доставляли по железной дороге, а с 1982 г. ее котлы начали переводить на природный газ. Сейчас мазут используют только в качестве резервного топлива. В составе ГРЭС 8 энергоблоков суммарной установленной мощностью 2 520 мВт.
В 1967 г. рядом с теплоэлектростанцией построили электроподстанцию 750 кВ «Опытная». ГРЭС выдает мощность в Московское энергокольцо.
Ириклинская ГРЭС
Находится в Оренбургской области и является мощнейшей на Южном Урале. Собственник – «Интер РАО». Возведение теплоэлектростанции началось в 1963 г. из-за расширения нескольких промышленных предприятий Оренбургской области, строительства горно-обогатительного комбината в г. Гай, Буруктальского никелевого завода.
Станция содержит 8 энергоблоков. Суммарная мощность – 2 430 мВт. Сначала топливом для ГРЭС служил мазут, с 1976 г. она работает на природном газе, получаемом от газопровода «Бухара-Урал». По воздушным ЛЭП 500 кВ, отходящим от ГРЭС, получают электроэнергию газоперерабатывающий завод г. Оренбурга и металлургический комбинат г. Магнитогорска.
Прогресс производства электроэнергии
Чтобы вы могли полностью понять, насколько важной является для мира данная отрасль, необходимо взглянуть на то, как происходило развитие электроэнергетики на протяжении всей истории ее существования. Сразу же стоит отметить, что производство электроэнергии обозначается в миллиардах киловатт в час. В 1890 году, когда электроэнергетика только начинала развиваться, производилось всего девять млрд кВт/ч. Большой скачок произошел к 1950 году, когда производилось уже более чем в сто раз больше электроэнергии. С того момента развитие шло гигантскими шагами – каждое десятилетие добавлялось сразу по несколько тысяч миллиардов кВт/ч. В результате к 2013 году мировыми державами производилось в сумме 23127 млрд кВт/ч – невероятный показатель, который продолжает расти с каждым годом. На сегодняшний день больше всего электроэнергии дают Китай и Соединенные Штаты Америки – именно эти две страны имеют наиболее развитые отрасли электроэнергетики. На долю Китая приходится 23 процента вырабатываемой во всем мире электроэнергии, а на долю США – 18 процентов. Следом за ними идут Япония, Россия и Индия – каждая из этих стран имеет как минимум в четыре раза меньшую долю в мировом производстве электроэнергии. Что ж, теперь вам также известна и общая география электроэнергетики – пришло время перейти к конкретным видам этой отрасли промышленности.
Миллиарды долга
На сегодняшний день суммарный долг пользователей электроэнергии по всей России составляет около 460 миллиардов российских рублей. Естественно, если бы в распоряжении страны были все те деньги, которые ей задолжали, то она могла бы значительно быстрее развивать электроэнергетику. Поэтому правительство планирует ужесточить наказания за просрочки в оплате счетов за электричество, а также будет призывать тех, кто не хочет платить по счетам в будущем, устанавливать собственные солнечные панели и снабжать себя энергией самостоятельно.
Импортозамещение
После введения западных станций промышленность России очень остро ощутила свою зависимость от заграничных поставок – это сильно затронуло и электроэнергетику, где практически ни в одной из современных сфер деятельности полный процесс производства тех или иных генераторов не проходил исключительно на территории РФ. Соответственно, правительство планирует наращивать производственные мощности в нужных направлениях, контролировать их локализацию, а также пытаться максимально избавиться от зависимости от импорта.
Регулируемый рынок
Самая главная проблема отечественной электроэнергетики – это полная регулируемость рынка. В европейских странах регулирование рынка энергетики практически полностью отсутствует, там имеется самая настоящая конкуренция, поэтому отрасль развивается огромными темпами. Все эти правила и регуляции очень сильно тормозят развитие, и в результате РФ уже начала закупки электроэнергии из Финляндии, где рынок практически не регулируется. Единственное решение этой проблемы – переход к модели свободного рынка и полный отказ от регуляции.
