МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
кафедра использования водной энергии
В.В. Волшаник
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине «ГИДРОСИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ И ВОЗОБНОВЛЯЮЩИЕСЯ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ»
для студентов, обучающихся по специальности
«Комплексное использование и охрана водных ресурсов»
Москва
2009
Раздел 1. Роль гидроэнергии и других возобновляющихся источников энергии в современной электроэнергетике
Лекция 1. Современная энергетика и электроэнергетика. – Виды энергетических установок. – Основные производители электрической энергии, их технологические особенности. – Особенности современного электропотребления. – Основные достоинства и недостаток электрической энергии. – Необходимость регулирования производимой мощности в соответствии с графиком электропотребления. – Понятие о графике суточной нагрузки электроэнергетической системы и его изменении в течение длительных периодов времени. – Роль речных водохранилищных гидроэлектростанций и гидроаккумулирующих электростанций в качестве регулятора электроэнергетических систем
1.1. Современное состояние и перспективы развития мировой энергетики
Энергетика является основой, фундаментом современной человеческой цивилизации. Энергетическое могущество, способность преобразовывать первичные источники энергии возвышает человека над всеми другими живыми созданиями.
Открытие электричества и разведывание крупных месторождений нефти породили техническую революцию 20-го века. Распространение электрической энергии повысило энерговооруженность труда и обусловило появление информационных систем, определяющих образ жизни всех людей.
Электроэнергия является вторичным источником энергии. Имеющаяся в природе первичная электроэнергия (электризация отдельных предметов, атмосферные электрические разряды, электрический потенциал некоторых видов животных) не используется ввиду ее эпизодичности, небольших запасов и непреодолимых технических трудностей.
Во вторичном виде электроэнергия используется необычайно широко и разнообразно. Формирование современного "электрического" мира обусловлено громадными техническими достоинствами электроэнергии:
возможность получать электроэнергию в любых масштабах путем несложных технических преобразований из любых других первичных видов энергии — угля, нефти, газа, атомного топлива, течения рек, солнечного излучения, ветра, биомассы, всех других источников энергии, существующих на Земле; при высоких значениях коэффициента полезного действия;
возможность практически мгновенной передачи (транспортирования) по проводам в любых количествах и на любые расстояния при приемлемом уровне потерь;
возможность деления на месте использования в любых пропорциях и количествах в зависимости от конкретных потребностей человека и производства;
возможность преобразования во многие другие виды энергии на месте непосредственного использования, с высокими значениями коэффициента полезного действия: в тепловую, световую, механическую, энергию электрических сигналов; а также возможность накапливания в небольших количествах с помощью химических или других аккумуляторов — возможность, которая породила сегодняшний мир электронной техники и информатизации;
электроэнергия обладает высокой экологической чистотой. В процессе ее передачи и использования не происходит практически никаких вредных выбросов в природную среду.
Электроэнергия наряду с продуктами переработки нефти продолжает оставаться наиболее распространенным из всех видов потребляемой энергии, так как имеет такие уникальные качества, которые в целом отсутствуют у любых других видов энергии (механической, тепловой, химической и др.).
Электроэнергетика является материальной основой существования и развития современной технической цивилизации. Без электроэнергии невозможно себе представить существование нашего быта, промышленности, транспорта, сельского хозяйства, науки, культуры.
Практически единственный, однако весьма серьезный недостаток электрической энергии заключается в том, что ее, в ее непосредственном виде, нельзя накапливать в крупных промышленных масштабах, поэтому в данный момент времени электроэнергии должно производиться столько, сколько ее потребляется, иначе система "производитель электроэнергии – потребитель энергии" выйдет из строя, и очень серьезные примеры этого были в мировой электроэнергетике.
Именно последним обстоятельством и объясняется громадная, не имеющая альтернативы роль гидроэлектростанций в электроэнергетических системах, являющихся основой существования современного индустриального общества.
Производство и использование электроэнергии должно предусматривать создание электроэнергетической системы (ЭЭС), состоящей из трех компонентов: "производителя электроэнергии — линии электропередачи (транспорта электроэнергии) — потребителя электроэнергии".
Поскольку природные графики прихода возобновляющихся источников энергии не соответствуют графикам потребления электроэнергии, в любой электроэнергетической системе должен иметься регулятор (лучше — аккумулятор) мощности, способный обеспечить соответствие производства электроэнергии ее потреблению.
Традиционные гидроэлектростанции, утилизирующие энергию речных потоков, являются наиболее эффективными регуляторами производимой электрической мощности, поэтому наиболее целесообразным путем широкого использования возобновляющихся источников энергии для производства электроэнергии является создание комплексных электростанций на базе гидроэлектростанций.
Суммарное энергопотребление удваивается каждые 20 лет, а потребление нефти и электроэнергии — 10-12 лет. Такой рост объясняется возрастанием энергонасыщенности производства и коммунального хозяйства, резким увеличением численности населения земного шара, рис. 1.1
Рис. 1.1. Численность населения Земли по данным газетных публикаций
Рис. 1.2. Мировое потребление органических ресурсов
Мировой спрос на электроэнергию будет расти в ближайшее десятилетие за счет роста населения в развивающихся странах.
После 2020 г. возможно обострение проблем энергоснабжения, особенно при увеличении глобального энергоспроса и недостаточно активном развитии альтернативных энергоисточников.
Энергетика может быть разделена на три подотрасли, связанные с целью использования первичных источников энергии — энергетика транспортная (транспортные энергетические установки), тепловая (тепловые энергетические установки) и электрическая (электрические энергетические установки).
Лекция 2. Понятие о возобновляющихся и невозобновляющихся, добавляющих и недобавляющих источниках энергии. – Экологические проблемы, связанные с использованием добавляющих энергоисточников, понятие о парниковом эффекте и тепловом загрязнении атмосферы. Неизбежность перехода в ближайшем будущем к преимущественному использованию недобавляющих возобновляющихся источников
Мощности и энергии, которые человек научился получать искусственным путем, стали соизмеримыми с мощностями и энергиями природы, действующими на нашу планету. Поэтому понятие энергетики уже нельзя ограничить только рамками искусственных систем, необходимо учитывать теснейшее взаимодействие искусственных систем с естественными системами природы.
Сейчас во всем мире ежегодно добывается первичных энергетических ресурсов, эквивалентных (90-100)∙1012 кВт∙ч. Они расходуются для производства электроэнергии (до 15% используемых ресурсов), производства тепла и транспортных энергоустановок. При этом работа 70% электрогенерирующих установок и большинства тепловых и транспортных установок основана на сжигании ископаемых топлив — угля, нефти, газа — так называемых невозобновляющихся источников энергии.
Органическое и атомное (частично) топливо обладают, в отношении их использования, определенной универсальностью — они могут быть перемещаемы в первичном виде практически в любых объемах на практически любые расстояния. Это свойство делает возможным применение органического и атомного топлива во всех трех перечисленных подотраслях энергетики, и прежде всего в транспортных энергетических установках, на приведение в действие которых расходуется до половины всех используемых на земле первичных источников энергии.
Последние десятилетия интенсивного развития энергетики выявили две стремительно усугубляющиеся глобальные экологические и стратегические проблемы. Первая, связанная преимущественно с атмосферой, обусловлена ее интенсивным химическим и тепловым загрязнением, связанным именно с сжиганием органического топлива.
При этом в атмосферу выбрасываются миллионы тонн химических веществ, в течение длительного времени остающихся в ней в качестве загрязнителей и регулярно выпадающих на землю в виде сажи и так называемых "кислотных дождей".
Сжигание органического топлива означает вовлечение в энергетический оборот источников, которые в своем естественном состоянии не оказывают влияния на энергетический баланс планеты. Поэтому, с точки зрения теплового воздействия на атмосферу, все используемые первичные источники энергии разделяются на добавляющие (невозобновляющиеся) и недобавляющие (возобновляющиеся). К первым относятся уголь, нефть, газ, торф, а частично и атомное топливо. Ко вторым — традиционная энергия речных потоков и энергии солнечного излучения, ветра, ветровых волн, приливов и т. п.
Потепление климата, зафиксированное в последние десятилетия, обусловлено действием двух факторов. Первый назван "парниковым эффектом" и заключается в том, что часть газов, образующихся при сгорании органического топлива, поднимается в атмосферу на высоту нескольких километров и, изменяя пропускную способность атмосферы в некоторых частях светового спектра, задерживает в приземных слоях атмосферы дополнительное тепло, которое ранее беспрепятственно улетучивалось в космическое пространство.
Другой фактор связан с неизбежным выбросом в атмосферу при сжигании органического топлива так называемого "добавочного" тепла, количество которого при современных гигантских масштабах энергетики, начинает составлять все более заметную долю от суммарной солнечной энергии, поступающей на Землю и определяющей климат планеты.
Ясна необходимость перехода в ближайшем будущем от ископаемых, невозобновляющихся источников энергии — нефти, газа, угля и в определенной степени радиоактивного топлива, — к источникам более высокого экологического качества, то есть возобновляющимся. Важнейшей их особенностью является то, что они и в своем естественном состоянии принимают участие в энергетическом (тепловом) балансе планеты, и поэтому их использование человеком не приведет к изменению этого баланса, что позволит поднять уровень потребления энергии до любых значений.
Стратегическая проблема современной энергетики связана также с фактором истощения в близком будущем запасов органического топлива на Земле, что вполне естественно, ибо все невозобновляющееся должно приходить к истощению, а именно такими и являются запасы угля, нефти и газа, образовавшиеся на Земли в течение сотен миллионов лет назад в результате активной органической жизни. Теперь мы эти запасы интенсивно извлекаем и сжигаем, и нет никаких сомнений в том, что все запасы будут использованы.
Истощение органических ископаемых произойдет уже довольно рано: при сегодняшних темпах потребления запасы нефти иссякнут примерно через 40-45 лет, запасы газа через 30 лет (табл. 2.1). После истощения запасов нефти в жидкое топливо начнут перерабатывать уголь, и тогда количество его запасов начнет снижаться еще более быстрыми темпами. Скорее всего, уже в середине текущего века уголь будет единственным ископаемым топливом, которое будет иметься в достаточном количестве за его пределами.
Таким образом, и в этом отношении необходим поиск путей перехода к новым источникам энергии, способным на длительный период обеспечить растущие потребности человечества.
Ресурсов возобновляющихся источников энергии достаточно, чтобы удовлетворить потребности человечества сегодня и в отдаленной перспективе. Масштабы использования возобновляющихся источников не ограничиваются проблемой парникового эффекта или теплового загрязнения атмосферы, хотя и с их использованием связаны некоторые экологические проблемы.
Таблица 2.1