В учебном пособии излагаются общие вопросы энергетики, характеризующие структуру топливно-энергетического комплекса и основные показатели единой энергетической системы России. Дана общая характеристика тепловых, атомных и гидравлических электростанций, электрических и тепловых сетей, потребителей электроэнергии, приведены типовые графики электрических и тепловых нагрузок энергосистем и условия обеспечения балансов мощности и энергии. Рассмотрены виды и характеристики углеводородных топлив как невозобновляемых источников энергии. Рассмотрены теоретические основы преобразования энергии в тепловых двигателях и их термодинамические циклы. Приведены тепловые, технологические и компоновочные схемы тепловых и атомных электростанций, рассмотрено их основное и вспомогательное оборудование. Дана общая характеристика гидроэнергетических установок и рассмотрены процессы преобразования гидроэнергии в электрическую энергию на различных типах гидроэнергоустановок. Рассмотрены природоохранные проблемы гидроэнергетики и их учет при проектировании гидроэлектростанций, а также проблемы и перспективы использования традиционных и нетрадиционных, возобновляемых и невозобновляемых источников энергии.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 140211 “Электроснабжение”.

Используемая аббревиатура

АКЭС – атомная конденсационная электростанция;

АСКУЭ – автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии;

АТЭЦ – атомная теплоэлектроцентраль;

ВЛ – воздушная линия (электропередачи);

ВолЭС – волновая энергетическая станция;

ГиТЭС – гидротермальная электростанция;

ГАЭС – гидравлическая аккумулирующая электростанция;

ГВС – горячее водоснабжение;

ГПП – главная понизительная подстанция;

ГеоЭС – геотермальная электростанция;

ГЭС – гидравлическая электростанция;

ГРЭС – государственная районная электростанция;

ЕЭС – единая энергосистема;

КЛ – кабельная линия (электропередачи);

КЭС – конденсационная электростанция;

ЛЭП – линия электропередачи;

ОЭС – объединенная энергосистема;

ПЭС – приливная электростанция;

РЗАиТ – релейная защита, автоматика и телемеханика;

РП – распределительный пункт (подстанция);

РЭС – районная энергосистема;

СКЭС – солнечная космическая электростанция;

СЭС – солнечная электростанция;

ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент;

ТП – трансформаторная подстанция;

ТЭК – топливно-энергетический комплекс;

ТЭС – тепловая электростанция;

ТЭЦ – теплофикационная электроцентраль (теплоэлектроцентраль);

ФОРЭМ – фондовый оптовый рынок энергии и мощности;

НОРЭМ – новый фондовый оптовый рынок энергии и мощности;

ЭС – электростанция;

ЭСМТ – электростанция морских течений.

Введение

Научно-технический прогресс немыслим без развития энергетики и электрификации производств. Для повы­шения производительности труда первостепенное значение имеет автоматизация про­изводственных процессов, базирующаяся, прежде всего, на применении электрической энергии. Основными потребителями электроэнергии в производстве продукции являются электрические машины, мощность которых варьируется от единиц ватт до десятков мегаватт, причем рост планетарного населения, с одной стороны, и рост материальных потребностей, с другой, неизбежно ведут к наращиванию потребляемой электроэнергии с каждым годом.

Для производства электрической энергии применяются различные электростанции, базирующиеся на сжигании природных энергетических ресурсов. Вместе с тем, запасы тради­ционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) не бесконечны. Ограничены запасы и ядерного топлива - урана и тория, из которого с помощью реакторов можно получать плутоний. Поэтому на сегодняшний день важно не только развивать добычу экономически выгодных источников энергии, но и рационально использовать имеющиеся природные ресурсы для производства электроэнергии без существенного ущерба окружающей среде. Отсюда – широчайший комплекс проблем технико-экономического, экологического и социального характера в области энергетики.

Учебная дисциплина “Общая энергетика” рассматривает общие вопросы формирования и функционирования топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны, основу которого составляют районные энергетические системы (РЭС), объединенные в единую энергетическую систему (ЕЭС) России.

Энергетическая система представляет собой совокупность электрических станций, электрических и тепловых сетей и узлов потребления, объединенных процессом производства, передачи и распределения электроэнергии и тепловой энергии по потребителям.

Электроэнергетика - ведущая часть энергетики, обеспечивающая электрификацию страны на основе рационального производства и распределения электрической энергии. Электроэнергетика имеет важнейшее значение в хозяйстве любой страны, что объясняется таки­ми преимуществами электрической энергии перед энергией других видов, как относительная легкость передачи ее на большие расстояния, распределе­ния между потребителями, а также преобразования в другие виды энер­гии (механическую, тепловую, химическую, световую и др.).

В силу специфики своего производства электроэнергетика занимает особое положение. В электроэнергетике хи­мическая энергия, запасенная в топливе, энергия падения воды, солнеч­ная, ветровая и другие виды энергии проходят путь последовательного преоб­разования в тепловую, механическую и, наконец, в электри­ческую энергию. В основе такого преобразования лежат термодинамические циклы тепловых двигателей. Промежуточным продук­том в этом процессе преобразования энергии, получившим широкое потребительское значение, является тепловая энергия.

Важнейшими вопросами энергетики и электроэнергетики , нашедшими отражение в учебных дисциплинах специальности, являются:

Электропитающие системы и электрические сети;

Системы электроснабжения;

Релейная защита, автоматика и телемеханика (РЗАиТ) систем электроснабжения;

Переходные процессы в электроэнергетике;

Электромагнитная совместимость в электроэнергетике;

Надежность электроснабжения;

Информационные системы в управлении электроснабжением;

Энергосбережение и энергоаудит.

1. Общие вопросы энергетики

1.1. Энергетические ресурсы земли и их использование

Уровень материальной, а, в конечном счете, и духовной культуры людей находятся в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Самоограничение в использовании энергии тепла и электроэнергии входит в противоречие с естественным желанием человека жить комфортно в современном цивилизованном обществе. При этом население земли и потребности людей непрерывно растут. Структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню такова, что практически 80% произведенной энергии на земле производится путем сжигания органического топлива. При этом попытки решить энергетические проблемы сегодняшнего дня увеличением числа тепловых электростанций обречены на провал в силу целого ряда причин, обусловленных как ограниченными ресурсами традиционных органических топлив и, как следствие, неизбежным ростом цен на них, так и возросшими требованиями к защите окружающей среды. Отсюда – стремление выработки национальных энергетических программ ведущими промышленными странами, обеспечивающими оптимизацию внутреннего энергетического баланса. При этом со стороны наиболее развитых в экономическом плане стран неизбежно стремление контроля мировых энергоресурсов и распространение влияния над их добычей и распределением.

Сама по себе энергия представляет собой ничто иное, как способность совершать ту или иную работу. Огромное количество энергии содержится в ископаемом топливе, деревьях, растениях, воздухе, воде, солнце, в самих людях и животных, однако процесс преобразования ее в полезную работу может быть как технически, так и экономически малоэффективным. При этом среди источников энергии различают возобновляемые и невозобновляемые природой, традиционные и нетрадиционные.

К возобновляемым источникам энергии условно относят источники энергии, которые в обозримом будущем, исчисляемым тысячелетиями, неиссякнут. К таким источникам энергии относят энергию рек, морей и океанов, солнечную, ветровую, геотермальную энергию, биоэнергию и др.

К невозобновляемым источникам энергии относят источники энергии, которые после преобразования их в иной вид энергии теряют возможность последующего использования. К таким источникам энергии относят ископаемые органические виды топлив (торф, уголь, горючие сланцы, нефть и продукты ее переработки, природный и искусственный газ, ядерное топливо и др.).

К традиционным источникам энергии относят источники энергии, которые используются для выработки электрической и тепловой энергии в традиционных энергетических установках – котельных установках, тепловых, атомных и гидравлических электростанциях. К таким источникам энергии относят торф, уголь, газ, мазут, ядерное топливо, а также возобновляемый природой источник энергии - гидравлическая энергия рек.

К нетрадиционным источникам энергии относят источники энергии, которые не являются общепринятыми для выработки электрической и тепловой энергии в традиционных энергетических установках. К таким источникам энергии относят энергию ветра, солнца, земли, морей и океанов и др. К нетрадиционной энергетике относят также водородную энергетику, биоэнергетику, энергетику вторичных ресурсов.

Потребление энергии – важный показатель жизненного уровня. К настоящему времени в России и Европейских странах производство электроэнергии на душу населения достигло в среднем 6-7 тысяч кВт∙ч, а в США и Канаде вдвое больше. При этом наблюдается ежегодный рост удельного энергопотребления в развитых странах.

Учитывая результаты прогнозов по запасам нефти и природного газа, которых хватит на 50-70 лет, и запасов угля, которых хватит на 600-1000 лет, можно считать, что на данном этапе развития науки и техники тепловые электростанции будут еще долгое время преобладать над остальными нетрадиционными источниками энергии. Из мировых запасов нефти, объем которых оценивают в 2 триллиона баррелей, около 900 миллиардов уже использовано. Поскольку уже началось существенное удорожание нефти и природного газа, следует ожидать, что тепловые электростанции, работающие на мазуте и газе, к концу 21-го века будут вытеснены станциями на угле. Пока же наблюдается сокращение добычи угля, что связано не столько с относительно низкой его калорийностью, сколько с проблемами добычи и транспортировки, а также ухудшения экологии за счет вредных выбросов в атмосферу при сжигании этого топлива в котельных установках.

На этом фоне экологически чистыми и практически неисчерпаемыми в обозримом будущем являются речные гидроресурсы, однако в Западной Европе они уже в значительной мере задействованы и возможности строительства новых гидроэлектростанций весьма проблематичны, поскольку создание гидростатического напора на равнинных реках приведет к неизбежному затоплению значительных территорий. Кроме того сооружение ГЭС сопряжено со значительными капитальными затратами и, соответственно, длительными сроками окупаемости. Вместе с тем, неиспользованных запасов гидроэнергии в ряде регионов планеты, в частности в Сибири, вполне достаточно, чтобы гидроресурсы рассматривать как традиционную альтернативу использованию органических невозобновляемых ресурсов.

Что касается запасов ядерного топлива, то по прогнозам специалистов его запасов хватит не менее чем на 1000 лет при условии интенсивного развития реакторов-размножителей. Запасы урана и тория, если их сравнивать с запасами угля, не столь уж и велики, однако на единицу веса они содержат в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь. Из 1 кг урана можно получить столько же теплоты, сколько при сжигании примерно 3000 тонн каменного угля. Некоторые ученые и экологи в конце 1990-х годов говорили о скором запрещении государствами Западной Европы атомных электростанций, но, исходя из современных анализов сырьевого рынка и потребностей общества в электроэнергии, эти утверждения выглядят неуместными.

Учитывая естественное истощение ископаемых топлив, все больше говорят о необходимости в 21-м веке начала нового этапа развития земной энергетики, характеризуемого «щадящим» использованием невозобновляемых энергоресурсов. При этом необходимо учитывать, что нефть и газ нужны не только энергетике, но и химии, и транспорту, и сельскому хозяйству. Несомненно, что в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получит развитие и линия экстенсивного развития, характеризующаяся рассредоточением по центрам потребления экологически чистых источников энергии не слишком большой мощности, но с высоким КПД, удобных и надежных в эксплуатации. Яркий пример тому – интенсивное развитие нетрадиционной энергетики, в частности электрохимической и водородной энергетики, солнечной и ветровой энергетики, геотермальной и малой гидроэнергетики и др. Более подробно вопросы нетрадиционной энергетики рассмотрены в главе 5 настоящего пособия.

Глава 2 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Общие положения

Энергетическими ресурсами называют выявленные природные запасы различных видов энергии, пригодные для использования в широких масштабах для народного хозяйства. К основным видам энергетических ресурсов в современных условиях относятся: уголь, газ, нефть, торф, сланцы, гидроэнергия и атомная энергия. Энер­гетические ресурсы используют для получения того или иного вида энергии. Под энергией понимается способность какой-либо систе-

мы производить работу или тепло. Получение требуемого количе­ства энергии связано с затратой какого-либо рода энергетическо­го ресурса.

Энергоресурсы, также как и энергия, могут быть первичными и вторичными. Первичные ресурсы имеются в природе в начальной форме. Среди них выделяют возобновляемые и невозобновляемые.

Возобновляемые ресурсы восстанавливаются постоянно. К ним относятся: излучение солнца, энергия ветра, волн, морских тече­ний, приливов, биомассы, гидроэнергия, геотермальная и грави­тационная энергии.

Невозобновляемыми ресурсами являются те, запасы которых по мере их добычи необратимо уменьшаются, а именно: камен­ный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, нефть, природный газ, ядерная энергия.

Если исходная форма первичных энергоресурсов в результате превращения или обработки изменяется, то образуются вторичные энергоресурсы (ВЭР) и соответственно вторичная энергия. К таким ресурсам относятся все первичные энергоресурсы после одного или нескольких превращений:

1. Топливные формы:

твердые - торф (брикеты), бурый уголь (обогащенный), кокс; газообразные - искусственный и жидкий газ, водород; жидкие - мазут, дизельное топливо, горючие масла.

2. Электричество.

3. Тепловая энергия - пар, горячая вода, отходы тепла.

4. Потери на превращение энергии, ее транспорт (передачу) и
распределение.

Для соизмерения ресурсов и определения действительной эко­номичности их расходования принято использовать понятие «ус­ловное топливо». Его низшую рабочую теплоту сгорания Q p при­нимают равной 29 300 ГДж/кг (7000 Гкал/кг). Зная теплоту сгора­ния и количество натурального топлива (н.т.), можно определить эквивалентное число тонн условного топлива, ту.т.:

где В ШТ - количество натурального топлива, т н.т.

При оценке ресурсов газа в условном топливе В нат измеряется в тыс. м 3 , а теплота сгорания натурального топлива - в кДж на 1 м 3 . При необходимости оценки энергоресурсов, в том числе гидро­ресурсов, 1 кВт-ч приравнивается к 340 т у. т.

В современных условиях 80... 85 % энергии получают, расходуя невозобновляемые энергоресурсы. Преобразование топлива в ко­нечные виды энергии связано с вредными выбросами твердых частиц, газообразных соединений, а также большого количества тепла, воздействующих на окружающую среду.

Возобновляемые энергоресурсы (исключая гидроэнергетиче­ские) не нуждаются в транспортировке к месту потребления, но обладают низкой концентрацией энергии, поэтому преоб­разование энергии большинства возобновляемых источников требует больших затрат материальных ресурсов и, следователь­но, больших удельных затрат денежных средств (р./кВт) на каж­дую установку. В экологическом отношении возобновляемые источники энергии обладают наибольшей чистотой. Из возоб­новляемых энергоресурсов в настоящее время в основном ис­пользуются гидроэнергия и в относительно малых количествах энергия солнца, ветра, геотермальная энергия. Из всех видов потребляемой энергии наибольшее распространение получила электроэнергия.

2. Классификация и экономическая оценка энергетических ресурсов........... 3

3. Запасы и разработка энергоресурсов, электроэнергетика........................4

4. Решение проблемы энергоресурсов............................................................8

5. Альтернативные источники энергии………………………………………………10

6. Заключение....................................................................................................16

7. Список использованной литературы...........................................................17

1. Введение.

Для современной цивилизации в наступившем XXI в. характерно возрастание роли мировой политики и международных отношений, взаимосвязанность и масштабность мировых процессов в экономической, политической, социальной и культурной жизни планеты, включение в международную жизнь и общение всё больших масс населения Земли. Всё это свидетельствует о наличии объективных предпосылок для появления в современном мире таких проблем, которые имеют глобальный, планетарный характер. Они затрагивают интересы всего человечества. К таким проблемам относятся: предотвращение мирового ядерного конфликта, мировых и локальных войн, сохранение природной среды, надёжное обеспечение человечества энергией, сырьём, продовольствием, пресной водой, управление демографическими процессами, хозяйственное освоение Мирового океана и космического пространства.

При изучении глобальных проблем необходимо учитывать как общие закономерности и общие тенденции развития производительных сил, в том числе под воздействием научно – технической революции, так и действие социальных факторов развития: быстрого роста населения планеты, увеличение межгосударственного взаимовлияния. Произошёл крупный качественный скачок во всех сферах человеческой деятельности. Крупные масштабы и динамизм экономической деятельности в современных условиях повлекли за собой не только положительные, но и отрицательные последствия: резкое и не всегда оправданное увеличение расходования природных ресурсов, отрицательное воздействие производственной сферы на природную среду, ухудшение экологии, усиление неравномерности в уровне социально – экономического развития между развитыми и развивающимися странами и др.

Все эти факторы в немалой степени способствовали появлению и обострению глобальных проблем. Уже сейчас существуют: угроза необратимых изменений экологических свойств среды обитания, угроза нарушения формирующейся целостности мирового сообщества, угроза самоуничтожения цивилизации.

В последнее время также всё острее встаёт проблема нехватки природных ресурсов, в особенности, энергетических. Хотя в настоящее время нехватка энергетических ресурсов почти не ощутима, данная проблема требует немедленного рассмотрения и решения, так как большинство таких ресурсов не возобновляемы, а запасы их весьма невелики. От того, насколько быстро и качественно будет решена данная проблема зависит, сможет ли человечество в ближайшие 100 –150 лет стабильно получать тепло и свет, то есть те минимальные удобства, без которых современные люди попросту не смогут выжить. Таким образом, решение ресурсной проблемы для энергетики – вопрос жизни и смерти для человечества.

2.Классификация и экономическая оценка энергетических ресурсов.

Природная среда является местом обитания человека и источником всех благ. Развитие человеческого общества во все века было связано с использованием разнообразных ресурсов. Степень использования ресурсов определяется социально – экономическими потребностями.

За XX в. из недр Земли извлечено полезных ископаемых больше, чем за всю историю цивилизации. За последнее столетие потребление ископаемого топлива возросло почти в 30 раз. Объём мирового промышленного производства вырос в 50 раз. Причём ¾ роста потребления топлива и 4/5 увеличения объёма промышленного производства произошло за период с начала 1950 – х годов. Для удовлетворения своих потребностей современный человек нуждается в значительно большем количестве ресурсов, чем раньше. Наиболее необходимыми, а, следовательно, и наиболее ценными, для человечества являются так называемые энергетические ресурсы.

Существуют несколько классификаций энергоресурсов по разным направления:

1. Первичными, т. е. теми, которые человек использует в большей степени, энергетическими ресурсами признаются – нефть, природный газ, каменный и бурый угли, горючие сланцы торф, древесина, гидроэнергия, а также энергия атомного распада и ядерного синтеза. Вторичными, соответственно, называют все прочие ресурсы, такие как: солнечная, ветровая, геотермальная энергия и др.

2. Возобновляемым или восполняемым ресурсом, т. е. ресурсом, количество которого возможно увеличить естественным или искусственным путём за достаточно краткосрочный период времени, является древесина. К не возобновляемым ресурсам относятся нефть, природный газ, уголь, сланцы и торф.

3. Неисчерпаемыми ресурсами, т. е. ресурсами, запас которых практически и физически не ограничен, принято считать гидроэнергию, атомную энергию, энергию ветра, солнца, а также геотермальную энергию. Все прочие энергетические ресурсы – исчерпаемы.

4. Выделяют «альтернативные» или нетрадиционные источники энергии: гидроэнергия, геотермальная, ветровая, приливная, солнечная энергия.

Полное название этих ресурсов – топливно-энергетические (по направлению их использования), горючие (по составу и особенностям использования) природные ресурсы. Кроме подразделения энергетических ресурсов на исчерпаемые и неисчерпаемые, они также подвергаются экономической оценке – установлению возможности и целесообразности их вовлечения в производство при современном уровне развития науки и техники. При этом оцениваются размеры запасов (объёмы ресурсов) в целом и концентрацию их на единицу площади (например, газовое месторождение); качественный состав (например, для нефти – качественный состав, степень вязкости, сернистости и т. д.); условия эксплуатации (глубина залегания, трудность разведки, освоения месторождений и разработки); степень освоенности и заселённости территории, на которой имеется месторождение (уровень обеспеченности региона трудовыми ресурсами); условия транспортировки, к местам сбыта и использования (наличие необходимой транспортной и иной инфраструктуры); расходы производства или добычи на единицу продукции (себестоимость); наличие других природных ресурсов и полезных ископаемых, их сочетание; требования по охране окружающей среды и рекультивации территории.

Экономическая оценка энергетических природных ресурсов позволят производить их добычу по минимальной цене, таким образом добиваясь рационального использования, что является основой для их полного или частичного сохранения. Грамотная экономическая оценка – основа максимального показателя ресурсообеспеченности территории, то есть отношения между величиной разведанных запасов ресурсов и масштабами их использования.

3. Запасы и разработка энергоресурсов, электроэнергетика.

В ми­ре дей­ст­ви­тель­но су­ще­ст­ву­ет ряд при­род­ных ог­ра­ни­че­ний. Так, ес­ли брать оцен­ку ко­ли­че­ст­ва то­п­ли­ва по трем ка­те­го­ри­ям: раз­ве­дан­ные, воз­мо­ж­ные, ве­ро­ят­ные, то уг­ля хва­тит на 600 лет, неф­ти – на 90, при­род­но­го га­за – на 50 ура­на – на 27 лет. Ины­ми сло­ва­ми, все ви­ды то­п­ли­ва по всем ка­те­го­ри­ям бу­дут со­жже­ны за 800 лет. Пред­по­ла­га­ет­ся, что к 2010 г. спрос на ми­не­раль­ное сы­рье в ми­ре уве­ли­чит­ся в 3 раза. Сей­час в ря­де стран бо­га­тые ме­с­то­ро­ж­де­ния вы­ра­бо­та­ны до кон­ца или бли­з­ки к ис­то­ще­нию. Ана­ло­ги­ч­ное по­ло­же­ние на­блю­да­ет­ся и по дру­гим по­лез­ным ис­ко­па­е­мым. Ес­ли энер­го­про­из­вод­ст­во бу­дет рас­ти се­го­д­няш­ни­ми тем­па­ми, то все ви­ды ис­поль­зу­е­мо­го сей­час то­п­ли­ва бу­дут ис­т­ра­че­ны че­рез 130 лет, то есть в на­ча­ле ХХII в.

И все же вряд ли пра­во­мер­но го­во­рить о де­фи­ци­те при­род­ных ре­сур­сов на на­шей пла­не­те. Че­ло­ве­че­ст­во во­вле­к­ло в хо­зяй­ст­вен­ный обо­рот мень­шую часть ре­сур­сов Зе­м­ли: глу­би­на раз­ре­зов не пре­вы­ша­ет 700 м, шахт – 2,5 км, сква­жин – 10 тыс. м. На­ко­нец, ос­нов­ные ре­зер­вы сбе­ре­же­ния ре­сур­сов со­дер­жат­ся в от­ста­лой тех­но­ло­гии, из-за ко­то­рой не ис­поль­зу­ет­ся зна­чи­тель­ная часть при­род­ных ре­сур­сов. Так, ис­поль­зу­е­мая ны­не тех­но­ло­гия из­вле­ка­ет не бо­лее 30 – 40% по­тен­ци­аль­ных за­па­сов неф­ти, а ко­эф­фи­ци­ент по­лез­но­го ис­поль­зо­ва­ния до­бы­тых энер­ге­ти­че­с­ких ре­сур­сов ог­ра­ни­чен 30 – 35%.

Неф­тя­ная про­мыш­лен­ность.

Неф­тя­ная про­мыш­лен­ность се­го­д­ня - это круп­ный хо­зяй­ст­вен­ный ком­п­лекс, ко­то­рый жи­вет и раз­ви­ва­ет­ся по сво­им за­ко­но­мер­но­стям.

Что зна­чит нефть се­го­д­ня для хо­зяй­ст­ва лю­бой стра­ны?

Это: сы­рье для неф­те­хи­мии в про­из­вод­ст­ве син­те­ти­че­с­ко­го ка­у­чу­ка, спир­тов, по­ли­эти­ле­на, по­ли­про­пи­ле­на, ши­ро­кой гам­мы раз­ли­ч­ных пла­ст­масс и го­то­вых из­де­лий из них, ис­кус­ст­вен­ных тка­ней; ис­то­ч­ник для вы­ра­бот­ки мо­тор­ных то­п­лив (бен­зи­на, ке­ро­си­на, ди­зель­но­го и ре­а­к­тив­ных то­п­лив), ма­сел и сма­зок, а так­же ко­тель­но-пе­ч­но­го то­п­ли­ва (ма­зут), стро­и­тель­ных ма­те­ри­а­лов (би­ту­мы, гу­д­рон, ас­фальт); сы­рье для по­лу­че­ния ря­да бел­ко­вых пре­па­ра­тов, ис­поль­зу­е­мых в ка­че­ст­ве до­ба­вок в корм ско­ту для сти­му­ля­ции его ро­с­та. Нефть - на­ци­о­наль­ное бо­гат­ст­во, ис­то­ч­ник мо­гу­ще­ст­ва стра­ны, фун­да­мент ее эко­но­ми­ки.

До­ка­зан­ные за­па­сы неф­ти в ми­ре оце­ни­ва­ют­ся в 140 млрд. т, а еже­год­ная до­бы­ча со­ста­в­ля­ет око­ло 3.5 млрд. т. Од­на­ко вряд ли сто­ит пред­ре­кать на­сту­п­ле­ние че­рез 40 лет гло­баль­но­го кри­зи­са в свя­зи с ис­чер­па­ни­ем неф­ти в не­драх зе­м­ли, ведь эко­но­ми­че­с­кая ста­ти­сти­ка опе­ри­ру­ет циф­ра­ми до­ка­зан­ных за­па­сов то есть за­па­сов, ко­то­рые по­л­но­стью раз­ве­да­ны, опи­са­ны и ис­чи­с­ле­ны. А это да­ле­ко не все за­па­сы пла­не­ты. Да­же в пре­де­лах мно­гих раз­ве­дан­ных ме­с­то­ро­ж­де­ний со­хра­ня­ют­ся не­уч­тён­ные или не впол­не уч­тен­ные неф­те­но­с­ные се­к­то­ры, а сколь­ко ме­с­то­ро­ж­де­ний еще ждет сво­их от­кры­ва­те­лей

Все материальные ресурсы, используемые в народнохозяйственном комплексе в качестве предметов труда, условно подразделяются на сырьевые и топливно-энергетические. Энергетическим ресурсом называют любой источник энергии, естественный или искусственно активированный. Энергетические ресурсы - носители энергии, которые используются в настоящее время или могут быть полезно использованы в перспективе. Различают потенциальные и реальные топливно-энергетические ресурсы (ТЭР).

Потенциальные ТЭР - это объем запасов всех видов топлива и энергии, которыми располагает тот или иной экономический район, страна в целом.

Реальные ТЭР в широком смысле - это совокупность всех видов энергии, используемых в экономике страны.

Основу классификации энергоресурсов составляет их деление по источникам получения на:

1) природные ТЭР (природное топливо) - уголь, сланец, торф, газ природный и полезный, газ подземной газификации, дрова; природная механическая энергия воды, ветра, атомная энергия; топливо природных источников - солнца, подземного пара и термальных вод;

2) первичные - продукты переработки топлива - кокс, брикеты, нефтепродукты, искусственные газы, обогащенный уголь, его отсевы и т.д.;

3) вторичные энергетические ресурсы, получаемые в основном технологическом процессе - топливные отходы, горючие и горячие газы, отработанный газ, физическое тепло продуктов производства и т.д.

По способам использования первичные энергетические ресурсы подразделяют на топливные и нетопливные; по признаку сохранения запасов - на возобновляемые и невозобновляемые; ископаемые (в земной коре) и неископаемые. - участвующие в постоянном обороте и потоке энергии (солнечная, космическая энергия и т.д.), депонированные энергетические ресурсы (нефть, газ и т.д.) и искусственно активированные источники энергии (атомная и термоядерная энергии).

В экономике природопользования различают валовой, технический и экономический энергетические ресурсы.

Валовой (теоретический) ресурс представляет суммарную энергию, заключенную в данном виде энергоресурса. Технический ресурс - это энергия, которая может быть получена из данного вида энергоресурса при существующем развитии науки и техники. Экономический ресурс - энергия, получение которой из данного вида ресурса экономически выгодно при существующем соотношении цен на оборудование, материалы и рабочую силу. Он составляет некоторую долю от технического и тоже увеличивается по мере развития энергетики.

Основными топливными ресурсами, главными составляющими топливного баланса являются нефть, газ и уголь. За последние десятилетия топливный баланс подвергся коренной реконструкции – из угольного он превратился в нефтегазовый и даже – в газонефтяной. Но в настоящее время по оценкам специалистов, мировые ресурсы угля, нефти, газа существенно сокращаются. Поэтому все активнее обсуждаются вопросы использования новых, нетрадиционных, альтернативных видов энергии. Так, существуют предложения по использованию энергии разложения атомных частиц, искусственных смерчей и даже энергии молнии.

Современный подход к энергетическим ресурсам основан применениям ресурсосберегаемых технологий:

Энергия (Q) солнца (солнечн. батареи);- энергия ветра (ветросиловые установки);- Q течения рек- Q морских приливов и отливов- Q гейзеров- биотехнологии,- блочные газотрубинные электростанции - газовые электроустановки (газотрубинный двигатель)- паровые установки,- бензино-газовые электростанции,- Q за счёт применения вторичного сырья.

Газотрубинные теплоэлектростанции по сравнению с существующими паротрубинным установками имеют удельный расход топлива ≈ в 2 раза меньше, т.е. снижается себестоимость тепловой энергии, потери в сетях (ближе к потребителям), ухудшается экология, снижается капитальные затраты.

Одним из наиболее необычных видов использования отходов человеческой деятельности является получение электроэнергии из мусора.

Кроме замены традиционных источников энергии альтернативными, существуют проекты по созданию экологически чистых и сбалансированных городов и деревень будущего. Основой для их создания будут служить применение экономичных материалов, а также оптимальный режим использования энергии, который смогут поддерживать с помощью компьютерных программ.

Энергетика, энергосбережение и

Общество в целом и каждый человек в отдельности не может обходиться без потребления энергии.

Энергия - способность производить работу или какое-то другое действие, меняющее состояние действующего субъекта. В широком смысле это - общая мера различных форм движения материи.

Для современного общества наиболее актуальными видами энергии являются электрическая итепловая . Другие разновидности - механическая, химическая, атомная и т.д. - можно считать промежуточными или вспомогательными.

Тепловая энергия (тепло, теплота) - энергия хаотического движения микрочастиц - является первичной энергией цепи преобразования энергии, ею же эта цепь и заканчивается.

Тепловая энергия используется человеком для обеспечения необходимых условий его существования, для развития и совершенствования общества, для получения электрической энергии на тепловых электростанциях, для технологических нужд производства, для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий. Источниками энергии могут служить вещества и системы, энергетический потенциал которых достаточен для последующего целенаправленного использования.

Энергетический потенциал является параметром, оценивающим возможность использования источника энергии, выражается в единицах энергии - Джоулях или киловатт-часах.

Энергетические ресурсы – это любые источники механической, химической и физической энергии.

Энергетические ресурсы можно разделить на:

Ø первичные, источник которых – природные ресурсы и природные явления;

Ø вторичные, куда относятся промежуточные продукты обогащения и сортировки углей; гудроны, мазуты и другие остаточные продукты переработки нефти; щепки, пни, сучья при заготовке древесины; горючие газы; тепло уходящих газов; горючая вода из систем охлаждения; отработанный пар силовых промышленных установок.

Первичные энергетические ресурсы делят на:

Невозобновляемые или истощаемые (уголь, нефть, сланцы, природный газ, горючее);

Возобновляемые (древесина, гидроэнергия, энергия ветра, геотермальная энергия, торф, термоядерная энергия);

Вторичные (побочные) энергоресурсы (ВЭР) - это носители энергии, образующиеся в ходе производства, которые могут быть повторно использованы для получения энергии вне основного технологического процесса.

Около 90% используемых в настоящее время энергоресурсов составляют невозобновляющиеся (уголь, нефть, природный газ, уран и т.п.) благодаря их высокому энергетическому потенциалу, относительной доступности и целесообразности извлечения; темпы добычи и потребления их обусловливают энергетическую политику.

Эффективность использования энергоресурсов определяется степенью преобразования их энергетического потенциала в конечную используемую продукцию или потребляемые конечные виды энергии (механическая энергия движения, теплота для систем отопления или технологических нужд и т.д.), что характеризуется коэффициентом полезного использования энергоресурсов η эр:

η эр = η д ∙η п ∙η и

где η д - коэффициент добычи, извлечения потенциального запаса энергоресурса (отношение добытого ко всему количеству ресурса);

η п - коэффициент преобразования (отношения полученной энергии ко всей подведенной энергоресурсом);

η и - коэффициент использования энергии (отношение использованной энергии к подведенной к потребителю).

Для нефти η = 30…40%, для газа - 80%, угля - 40%. Современные топочные устройства при получении тепловой энергии из химической путем сжигания топлив позволяют получить η п = 94…98%; при передачи тепла потребителю через системы теплоснабжения η п снижается до 70…80%. Если же из тепловой энергии продуктов сгорания получается механическая с целью выработки электроэнергии (на тепловых электростанциях - ТЭС), то η п = 30…40%; для двигателя внутреннего сгорания η п = 20…30%. Величина η и зависит от типа конкретного потребителя и условий эксплуатации (отопительные системы - 50%). В среднем η эр = 36%.

1.2. Истощаемые и возобновляемые энергетические

ресурсы. Виды топлива, их состав и теплота сгорания.

Истощаемые ресурсы - это запасы топлива в недрах земли.

Мировой запас угля оценивается в 9-11 трлн.т. (условного топлива) при добыче более 4,2 млрд./год. Наибольшие разведанные месторождения уже находятся на территории США, СНГ, ФРГ, Австралии. Общегеологические запасы угля на территории СНГ составляют 6 трлн.т. /50% мировых/, в т.ч. каменные угли 4,7 и бурые угли – 2,1 трлн.т. Ежегодная добыча угля – более 700 млн.т., из них 40% открытым способом.

Мировой запас нефти оценивается в 840 млрд.т. условного топлива, из них 10% - достоверные и 90% - вероятные запасы. Основной поставщик нефти на мировой рынок – страны Ближнего и Среднего Востока. Они располагают 66% мировых запасов нефти, Северная Америка – 4%, Россия – 8-10%. Отсутствуют месторождения нефти в Японии, ФРГ, Франции и многих других развитых странах.

Запасы природного газа оцениваются в 300-500 трлн. м 3 . Потребление энергоресурсов в мире непрерывно повышается. В расчете на 1 человека потребление энергии за период 1990-2000 г.г. увеличилось в 5 раз. Однако это потребление энергоресурсов осуществляется крайне неравномерно. Примерно 70% мировой энергии потребляют промышленно развитые страны, в которых проживает около 30% населения Земли. В среднем на 1 человека приходится в Японии 1,5-5 т., в США – около 7т., а в развивающихся странах 0,15-0,3т. в нефтяном эквиваленте.

Человечество ещё, по крайней мере, 50 и более лет сможет обеспечить значительную часть своих потребностей в различных видах энергии за счет органического топлива. Ограничить чрезмерное их потребление могут два фактора:

Очевидная исчерпаемость запасов топлива;

Осознание неизбежности глобальной катастрофы из-за увеличения вредных выбросов в атмосферу.

К ресурсам возобновляемой энергии относятся :

Сток рек, волны, приливы и отливы, ветер как источники механической энергии;

Градиент температур воды морей и океанов, воздуха, недр земли /вулканов/ как источники тепловой энергии;

Солнечное излучение как источник лучистой энергии;

Растения и торф как источник химической энергии.

Топливо - вещество, выделяющее при определенных экономически целесообразных условиях большое количество тепловой энергии, которая в дальнейшем используется непосредственно или преобразуется в другие виды энергии.

Топливо бывает:

Ø горючее - выделяет тепло при окислении, окислитель- обычно О 2 , N 2 , азотистая кислота, перекись водорода и пр.

Ø расщепляющееся или ядерное топливо (основа ядерной энергетики (уран 235).

Горючее делят на органическое и неорганическое . Органическое горючее- углерод и углеводород. Горючее бывает природное (добытое в недрах земли) и искусственное (переработанное природное). Искусственное в свою очередь делится на композиционное (полученное механической переработкой естественного, бывает в виде гранул, эмульсий, брикетов) и синтетическое (произведенное путем термохимической переработки естественного - бензин, керосин, дизельное топливо, угольный газ и т.д.).

Более 90% потребляемой энергии образуется при сжигании естественного органического топлива 3 видов:

¨ твердое топливо (уголь, торф, сланцы).

¨ жидкое топливо (нефть и газоконденсаты).

¨ газообразное топливо (природный газ, СН 4 , попутный газ нефти).

Органическое топливо состоит из следующих составляющих: горючая составляющая (органические ингредиенты - С, Н, О, N, S) и негорючая составляющая (состоит из влаги, минеральной части).

Общепринятое слово "горючее" - это топливо, предназначенное для сжигания (окисления). Обычно слово "топливо" и "горючее" воспринимаются как адекватные, т.к. чаще всего "топливо" и бывает представлено "горючим". Однако следует знать и другие разновидности топлива. Так, металлы алюминий, магний, железо и др. при окислении так же могут выделять много теплоты. Окислителем вообще могут быть кислород воздуха, чистый кислород и его модификации (атомарный, озон), азотная кислота, перекись водорода и т.д.

Сейчас в основном используется ископаемое органическое горючее с окислителем - кислородом воздуха.

Различают три стадии преобразования исходного органического материала:

¨ торфяная стадия - распад высокомолекулярных веществ, синтез новых; при частичном доступе кислорода образуется торф и уголь, без доступа кислорода - нефть и газы;

¨ буроугольная стадия - при повышенной температуре и давлении идет полимеризация веществ, обогащение углеродом;

¨ каменноугольная стадия - дальнейшая углефикация.

Жидкая смесь углеводородов мигрировала сквозь пористые породы, при этом образовались месторождения нефти, газа; высокое содержание минеральных примесей приводило к возникновению горючих сланцев.

Твердое и жидкое органическое топливо характеризуется сложностью химического состава, поэтому обычно дается только процентное содержание (элементный или элементарный процентный состав топлива) химических элементов, без указания структур соединений.

Основной элемент, выделяющий теплоту при окислении - это углерод С, менее - водород Н. Особое внимание следует уделять сере S. Она заключена как в горючей, так и в минеральной части топлива. При сжигании сера влияет на коррозионную активность продуктов сгорания, поэтому это - нежелательный элемент. Влага W в продуктах сгорания представлена внешней ("мокрое" топливо), кристаллогидратной, образованной при окислении водорода. Минеральная часть А - это различные окислы, соли и другие соединения, образующие при сжигании золу.

Состав твердого и жидкого топлива выражается в % по массе, при этом за 100% могут быть приняты:

1) рабочая масса - используемая непосредственно для сжигания;

2) аналитическая масса - подготовленная к анализу;

3) сухая масса - без влаги;

4) сухая беззольная масса;

5) органическая масса.

Поэтому, например:

Состав топлива необходим для определения важнейшей характеристики топлива --теплоты сгорания топлива (теплотворная способность топлива).

Теплота сгорания топлива -- это количество тепловой энергии, которая может выделиться в ходе химических реакций окисления горючих компонентов топлива с газообразным кислородом, измеряется в кДж/кг для твердого и жидкого, в кДж/м 3 - для газообразного топлива.

При охлаждении продуктов сгорания влага может конденсироваться, выделяя теплоту парообразования. Поэтому различают высшую - без учета конденсации влаги, и низшую - теплоту сгорания, при этом:

Средние теплоты сгорания, кДж/кг(кДж/м 3)

мазут ……….………..40200

соляр…………………42000

торф………..………….8120

бурый уголь….……….7900

антрацит……………..20900

природный газ……….35800

Для сравнения различных видов топлива их приводят к единому эквиваленту - условному топливу , имеющему теплоту сгорания 20308 кДж/кг (7000 ккал/кг). Для пересчета реального топлива в условное используется тепловой эквивалент:

· для угля в среднем - 0,718;

· газа природного - 1,24;

· нефти - 1,43;

· мазут - 1,3;

· торфа - 0,4;

· дров - 0,25.

Твердое органическое топливо по степени углефикации делится на древесину, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит.

Важной характеристикой, влияющей на процесс горения твердого топлива, является выход летучих веществ (убыль массы топлива при нагреве его без кислорода при 850 о С в течение 7 мин). По этому признаку угли делят на бурые (выход летучих более 40%), каменные (10 - 40%), антрациты (менее 10%). Воспламеняемость антрацитов поэтому хуже, но выше. Это надо учитывать при организации процесса сжигания.

Зола - порошкообразный горючий остаток, образующийся при полном окислении горючих элементов, термического разложения и обжига минеральных примесей.

Шлак - спекшаяся зола.

Эти продукты сгорания оказывают большое влияние на КПД топочного оборудования (загрязнения, зашлаковка), надежность работы (разрушение обмуровок, пережог труб).

Нефть в сыром виде редко используется как топливо, чаще всего для этой цели идут нефтепродукты. В зависимости от температуры перегонки нефтепродукты делят на фракции: бензиновые (200-225 о С); керосиновые (140-300 о С); дизельные (190-350 о С); соляровые (300-400 о С); мазутные (более 350 о С). В котлах котельных и электростанций обычно сжигается мазут, в бытовых отопительных установках - печное бытовое (смесь средних фракций).

К природным газам относится газ, добываемый из чисто газовых месторождений, газ конденсатных месторождений, шахтный метан и др. Основной компонент природного газа - метан. В энергетике используется газ, концентрация СН 4 в котором выше 30% (за пределами взрывоопасности).

Искусственные горючие газы - результат технологических процессов переработки нефти и других горючих ископаемых (нефтезаводские газы, коксовый и доменный газы, сжиженные газы, газы подземной газификации угля и др.).

Из композиционных топлив, как наиболее употребительное, можно назвать брикеты - механическая смесь угольной или торфяной мелочи со связующими веществами (битум и др.), спрессованная под давлением до 100 МПа в специальных прессах.

Синтетическое топливо (полукокс, кокс, угольные смолы) в Беларуси не используется.

Расщепляющееся топливо - вещество, способное выделять большое количество энергии за счет торможения продуктов деления тяжелых ядер (урана, плутония). В качестве ядерного топлива используется природный изотоп урана , доля которых во всех запасах урана менее 1%.

Природное топливо располагается в земной коре. Запасы угля в мире оцениваются в 14 триллионов тон (Азия - 63%, Америка - 27%). Основные запасы угля - Россия, США, Китай. Все количество угля можно представить в виде куба со стороны 21 км; из него ежегодно "выедается" человеком на свои разносторонние нужды "кубик" с ребром 1,8 км. Очевидно, при таком темпе потребления этого угля хватит на срок порядка 1000 лет. Поэтому, в общем разговоры о топливных и энергетических кризисах скорее имеют политическую, чем ресурсную подоплеку. Другое дело - уголь тяжелое, неудобное топливо, имеющее много минеральных примесей, что усложняет его использование, но главное - запасы его распределения крайне неравномерно.

Общеизвестны страны, обладающие самыми богатыми месторождениями нефти, при этом разведанные запасы нефти все время увеличиваются; прирост идет в основном за счет морских шельфов. Если некоторые страны берегут свои запасы в земле (США), другие (Россия) интенсивно их "выкачивают". Общие запасы нефти в мире ниже, чем угля, но более удобное для использования топливо, особенно в переработанном виде. После подъема через скважину нефть подается потребителям в основном нефтепроводами, железной дорогой, танкерами, расстояние может достигать нескольких тысяч километров. Поэтому в себестоимости нефти существенную долю имеет транспортная составляющая. Энергосбережение при добычи и транспортировке жидкого топлива заключается в уменьшении расхода электроэнергии на прокачку (удаление вязких парафинистых компонентов, нагрев нефти, применение экономичных насосов, увеличение диаметров нефтепроводов).

Природный газ располагается в залежах, представляющих собой купола из водонепроницаемого слоя (типа глины), под которым в пористой среде (передатчик) под давлением находится газ, состоящая в основном из СН 4 . На выходе из скважины газ очищается от песчаной взвеси, капель конденсата и других включений и подается на магистральный газопровод диаметром 0,5…1,5 м длиной несколько тысяч километров. Давление газа в газопроводе поддерживается на уровне 5 МПа при помощи компенсаторов, установленных через каждые 100…150 км. Компрессоры вращаются газовыми турбинами, потребляющими газ, общий расход газа составляет 10…12% от всего прокачиваемого. Поэтому транспорт газообразного топлива весьма энергозатратен. Транспортные расходы намного ниже для сжигания газа, но и доля его потребления мала. Энергосбережение при добычи и транспорте газообразного топлива заключается в использование передовых технологий бурения, очистки, распределения, повышения экономичности газотурбинных установок для привода компрессоров магистралей.

Для всех видов топлива коэффициент извлечения из недр составляет 0,3…0,6, а для его увеличения требуется существенные затраты.

1.3. Основные типы электростанций.

Электрическая станция – предприятие или установка, вырабатывающая электроэнергию путем преобразования других видов энергии.

Электрические станции вырабатывают электрическую и тепловую энергию для нужд народного хозяйства страны и коммунально-бытового обслуживания. В зависимости от источника энергии различают:

· тепловые электростанции (ТЭС);

· гидроэлектрические станции (ГЭС);

· атомные станции (АЭС) и др.