Энергетика

Введение

Энергетика - это  та отрасль производства, которая  развивается невиданно быстрыми темпами. Если численность населения в условиях современного демографического взрыва удваивается за 40-50 лет, то в производстве и потреблении энергии это происходит через каждые 12-15 лет. При таком соотношении темпов роста населения и энергетики, энерговооруженность лавинообразно увеличивается не только в суммарном выражении, но и в расчете на душу населения.

В настоящее  время энергетические потребности  обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов: органического  топ-дива, воды и атомного ядра. Энергия  воды и атомная энергия используются человеком после превращения  ее в электрическую энергию. В то же время значительное количество энергии, заключенной в органическом топливе, используется в виде тепловой и только часть ее превращается в электрическую. Однако и в том и в другом случае высвобождение энергии из органического топлива связано с его сжиганием, а следовательно, и с поступлением продуктов горения в окружающую среду. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

В заключение можно  сделать вывод, что современный  уровень знаний, а также имеющиеся и находящиеся в стадии разработок технологии дают основание для оптимистических прогнозов: человечеству не грозит тупиковая ситуация ни в отношении исчерпания энергетических ресурсов, ни в плане порождаемых энергетикой экологических проблем. Есть реальные возможности для перехода на альтернативные источники энергии (неисчерпаемые и экологически чистые). С этих позиций современные методы получения энергии можно рассматривать как своего рода переходные. Вопрос заключается в том, какова продолжительность этого переходного периода и какие имеются возможности для его сокращения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Энергетика — отрасль промышленности, охватывающая выработку, передачу и сбыт энергоресурсов (полезных ископаемых и их производных, используемых в качестве топлива), образует топливно-энергетический комплекс.
2. Отрасли энергетики

Энергетика включает в себя следующий ряд отраслей:

Электроэнергетика

Электроэнергетикой  называют процесс производства, передачи, распределения и сбыта потребителям электрической энергии. К электроэнергетике  относятся:

• В части генерации:
• Тепловая электроэнергетика — преобразование тепловой энергии, выделяющейся при сжигании топлив, в электрическую энергию;
• Ядерная энергетика на практике часто рассматривается как подвид тепловой электроэнергетики. В ней тепловая энергия, преобразуемая затем в электрическую, выделяется не при сжигании органического топлива, а при делении атомных ядер в реакторе;
• Гидроэнергетика — преобразование кинетической энергии естественного водяного потока в электроэнергию;  
• Альтернативная энергетика - перспективные виды электрогенерации, пока не получившие широкого распространения, такие как солнечная, ветровая и геотермальная энергетика;  
• Малая энергетика - производство электроэнергии в малых масшабах: дизельные, бензиновые, газопоршневые, газотурбинные электростанции, котельные, мини-ТЭЦ.
• В части передачи:
• Линии электропередачи различных уровней напряжения (в России — от 0,4 до 1150 кВ). Делятся на воздушные и кабельные. Различают передачу на высоком (от 110 кВ и выше), среднем (0,4—110 кВ) и низком (0,4 кВ, в том числе 110—380 В — напряжение в бытовой сети в России) напряжении. Обычно передачу на высоких напряжениях называют транспортом электроэнергии, на низких и средних — распределением;
• Трансформаторное хозяйство (подстанции) — служат для перехода с одного уровня напряжения на другой;
• Энергосбыт - организация продаж электроэнергии конечным потребителям. В 2004—2007 годах энергосбытовая деятельность в России была выделена в отдельный бизнес (отдельные юридические лица).

Теплоснабжение

Теплоснабжение (теплоэнергетика) — это процесс выработки и передачи потребителям тепловой энергии. Бывает децентрализованное (индивидуальное и местное) и централизованное (от котельных и ТЭЦ). В России основным теплоносителем в отопительных сетях является химически подготовленная вода, которая практически вытеснила перегретый пар (хотя в быту до сих пор часто используют словосочетание «паровое отопление»). Тепловая энергия вырабатывается как совместно с электроэнергией на ТЭЦ (т. н. комбинированная выработка, или теплофикация), так и на чисто тепловых станциях. Передаётся потребителям по утеплённым трубопроводам — в основном подземным, но иногда и наземно-надземным. Перед подачей конечному потребителю вода доводится до нормативной температуры в водогрейных котлах на централизованных тепловых пунктах (ЦТП). Важной тенденцией развития теплоснабжения в России является повсеместное возведение мини-ТЭЦ для крупных социально-значимых объектов.

Энергоресурсы

Добыча, переработка  и транспортировка энергоресурсов являются смежными отраслями энергетики, объединяемыми вместе с ней в  топливно-энергетический комплекс (ТЭК). В ТЭК, кроме энергетики, также  входят:

• газовая промышленность;
• угольная промышленность;
• нефтяная промышленность.

1.   Тепловая электроэнергетика

Тепловая электроэнергетика – это основная отрасль энергетики в России. Тепловую электроэнергию используют в промышленности и коммунальном хозяйстве по всей стране.

Электроэнергия  вырабатывается на тепловых электростанциях. Тепловые электростанции - это электростанции, вырабатывающие электроэнергию посредством преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала электрогенератора.

Принцип работы тепловых электростанций заключается  в том, что в результате сжигания топлива в специальной камере сгорания, выделяется тепло, которое  превращает воду в специальной системе труб, расположенных в паровом котле, в пар. Давление пара вращает ротор турбины, передающей энергию вращения на вал генератора, который вырабатывает электрический ток. После этого пар конденсируется и снова становится водой, которая возвращается в систему труб. Получается замкнутый процесс.

Виды  теплоэлектростанций

Существуют  различные виды тепловых электростанций в зависимости от используемого  в них топлива и внутреннего  устройства.

На тепловых паротурбинных электростанциях (ТПЭС) в качестве топлива используют мазут, дизель, природный газ, уголь, торф, сланцы. КПД таких электростанций составляет около 40 %, а мощность может достигать 3-6 ГВт.

Государственные районные электрические станции (ГРЭС), оборудованы специальными конденсационными турбинами. Они не используются для  выработки тепла и обогрева зданий. Эти электростанции называют конденсационными.

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) имеют теплофикационные турбины, которые преобразуют вторичную  энергию отработанного пара в тепловую энергию. Это тепло используют для обогрева зданий в коммунальном хозяйстве и для промышленных служб.

Газотурбинные электростанции (ГТЭС) работают на природном  газе или жидком топливе. Генератор в них вращает газовая турбина. КПД таких электростанций невысок, всего 27-29%, поэтому зачастую их используют как резервные источники электроэнергии для покрытия пиков нагрузки на электрическую сеть, или для электрификации небольших населенных пунктов.

Тепловые  электростанции с парогазотурбинной  установкой (ПГЭС) – комбинированные  электростанции. Они оснащены паротурбинными и газотурбинными механизмами. Такие электростанции позволяют использовать тепловую энергию, их КПД может достигать 41-44%.

Проблемы  отрасли

Недостатком всех тепловых электростанций является то, что они работают на невосполнимых видах топлива. Запасов этого топлива по оценкам экспертов хватит лишь на несколько десятков лет.

При этом сгорание этих видов топлива ведет  к образованию вредных веществ, которые оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Это требует принятия жестких мер по защите окружающей среды.

В России последние десять лет постоянно  увеличивается расход топлива. Поэтому  для устойчивого развития необходимо сокращение расходов энергии, полученной из невозобновляемых источников недр, увеличение потребления возобновляемой энергии, преобразованной естественным или искусственным путем.

В связи  с этим в наше время разрабатывают  механизмы получения энергии  из восполняемых источников или других альтернативных источников энергии.

2. Атомная энергетика

Атомная энергетика очень перспективная и быстроразвивающаяся отрасль энергетики в России. Атомная энергетика заняла важное место в жизни человечества. В связи с возможным энергетическим кризисом она может быть эффективным решением этой проблемы.

Электроэнергия  производится на атомных электростанциях (АЭС). Принцип работы атомной электростанции такой же, как и тепловой электростанции, но для парообразования на них используют энергию радиоактивного распада.

Топливом  для таких электростанций является обогащенная руда урана. Ядерный  реактор работает на основе цепной ядерной реакции, когда деление одного ядра вызывает деление других ядер, это приводит к тому, что реакция сама себя поддерживает.

Для работы атомной электростанции нужен источник воды. Вода используется в реакторе для замедления реакций. Поэтому их располагают вблизи природных или искусственных водоемов и водостоков.

Управляют реактором с помощью специальных  управляющих стрежней. Делают эти  стрежни из соединений бора или кадмия. Эти соединения эффективно поглощают  тепловые нейтроны, и делают развитие цепной реакции невозможным. Запуск реактора приводит к выделению большого количества энергии, когда мощность достигает установленного уровня, специальные автоматы погружают управляющие стержни в глубь активной зоны.

Преимущества  атомных электростанций

Есть  очень много преимуществ атомных электростанций. Они полностью не зависят от мест добычи урана. Ядерное топливо компактно, срок его использования достаточно продолжителен. АЭС ориентированы на потребителя и становятся востребованы в тех местах, где существует острая нехватка органического топлива, а потребности в электроэнергии очень велики. Еще одним их достоинством является низкая стоимость полученной энергии, сравнительно небольшие затраты на строительство.

В сравнении  с тепловыми электростанциями атомные  электростанции не выделяют в атмосферу такого большого количества вредных веществ, и их работа не приводит к усилению парникового эффекта.

На данный момент перед учеными стоит задача повысить эффективность использования  урана. Ее решают с помощью реакторов-размножителей на быстрых нейтронах (РБН). Совместно с реакторами на тепловых нейтронах они повышают энерговыработку с тонны природного урана в 20-30 раз. При полном использовании природного урана становится рентабельной его добыча из очень бедных руд и даже извлечение его из морской воды. Использование АЭС с РБН ведет к некоторым техническим трудностям, которые в данный момент пытаются решить.

В качестве топлива Россия может использовать высокообогащенный уран, освободившийся в результате сокращения численности ядерных боеголовок.

Проблемы  атомных электростанций

Недостатком атомных электростанций является проблема безопасности атомной энергетики. После аварии на Чернобыльской АЭС были предприняты меры повышения безопасности, путем проведения технических и организационных мероприятий.

Возможность радиоактивного заражения окружающей среды – вот самый большой  риск работы атомных электростанций.

Важной  проблемой является захоронение  радиоактивных отходов. В нашей  стране существуют различные способы их переработки, перед тем как закопать в глубокие слои земли. Отходы прессуют, обрабатывают в печах, остекловывают, а затем упаковывают, придавая им компактность. На сегодняшний день ведутся активные поиски оптимального варианта обезвреживания радиоактивных отходов.

Только  решение проблемы безопасности атомных  электростанций позволит отрасли успешно развиваться дальше.

Перспективы развития атомной  энергетики.

При рассмотрении вопроса о перспективах атомной  энергетики в ближайшем (до конца  века) и отдаленном будущем необходимо учитывать влияние многих факторов: ограничение запасов природного урана, высокая по сравнению с ТЭС стоимость капитального строительства АЭС, негативное общественное мнение, которое привело к принятию в ряде стран (США, ФРГ, Швеция, Италия) законов, ограничивающих атомную энергетику в праве использовать ряд технологий (например, с использованием Рu и др.), что привело к свертыванию строительства новых мощностей и постепенному выводу отработавших без замены на новые. В то же время наличие большого запаса уже добытого и обогащенного урана, а также высвобождаемого при демонтаже ядерных боеголовок урана и плутония, наличие технологий расширенного воспроизводства (где в выгружаемом из реактора топливе содержится больше делящихся изотопов, чем загружалось) снимают проблему ограничения запасов природного урана, увеличивая возможности атомной энергетики до 200-300 Q. Это превышает ресурсы органического топлива и позволяет сформировать фундамент мировой энергетики на 200-300 лет вперед.

Но технологии расширенного воспроизводства (в частности, реакторы-размножители на быстрых нейтронах) не перешли в стадию серийного производства из-за отставания в области переработки и рецикла (извлечения из отработанного топлива «полезного» урана и плутония). А наиболее распространенные в мире современные реакторы на тепловых нейтронах используют лишь 0,50,6% урана (в основном делящийся изотоп U238 , концентрация которого в природном уране 0,7%). При такой низкой эффективности использования урана энергетические возможности атомной энергетики оцениваются только в 35 Q. Хотя это может оказаться приемлемым для мирового сообщества на ближайшую перспективу, с учетом уже сложившегося соотношения между атомной и традиционной энергетикой и постановкой темпов роста мощностей АЭС во всем мире. Кроме того, технология расширенного воспроизводства дает значительную дополнительную экологическую нагрузку. Сегодня специалистам вполне понятно, что ядерная анергия, в принципе, является единственным реальным и существенным источником обеспечения электроэнергией человечества в долгосрочном плане, не вызывающим такие отрицательные для планеты явления, как парниковый эффект, кислотные дожди и т.д. Как известно, сегодня энергетика, базирующаяся на органическом топливе, то есть на сжигании угля, нефти и газа, является основой производства электроэнергии в мире Стремление сохранить органические виды топлива, одновременно являющиеся ценным сырьем, обязательство установить пределы для выбросов СО; или снизить их уровень и ограниченные перспективы широкомасштабного использования возобновляемых источников энергии все это свидетельствует о необходимости увеличения вклада ядерной энергетики.

Учитывая  все перечисленное выше, можно  сделать вывод, что перспективы  развития атомной энергетики в мире будут различны для разных регионов и отдельных стран, исходя из потребностей и электроэнергии, масштабов территории, наличия запасов органического топлива, возможности привлечения финансовых ресурсов для строительства и эксплуатации такой достаточно дорогой технологии, влияния общественного мнения в данной стране и ряда других причин.

Перспективы атомной энергетики в России. Созданный в России замкнутый научно-производственный комплекс технологически связанных предприятий охватывает все сферы, необходимые для функционирования атомной отрасли, включая добычу и переработку руды, металлургию, химию и радиохимию, машино- и приборостроение, строительный потенциал. Уникальным является научный и инженерно-технический потенциал отрасли. Промышленно-сырьевой потенциал отрасли позволяет уже в настоящее время обеспечить работу АЭС России и СНГ на много лет вперед, кроме того, планируются работы по вовлечению в топливный цикл накопленного оружейного урана и плутония. Россия может экспортировать природный и обогащенный уран на мировой рынок, учитывая, что уровень технологии добычи и переработки урана по некоторым направлениям превосходит мировой, что дает возможность в условиях мировой конкуренции удерживать позиции на мировом урановом рынке.

Но дальнейшее развитие отрасли без возврата к  ней доверия населения невозможно. Для этого нужно на базе открытости отрасли формировать позитивное общественное мнение и обеспечить возможность  безопасного функционирования АЭС  под контролем МАГАТЭ. Учитывая экономические трудности России, отрасль сосредоточится в ближайшее время на безопасной эксплуатации существующих мощностей с постепенной заменой отработавших блоков первого поколения наиболее совершенными российскими реакторами (ВВЭР-1000, 500, 600), а небольшой рост мощностей произойдет за счет завершения строительства уже начатых станций. На длительную перспективу в России вероятен рост мощностей в переходом на АЭС новых поколений, уровень безопасности и экономические показатели которых обеспечат устойчивое развитие отрасли на перспективу.

В диалоге  сторонников и противников атомной  энергетики необходимы полная и точная информация по состоянию дел в  отрасли как в отдельной стране, так и в мире, научно обоснованные прогнозы развития и потребности в атомной энергии. Только на пути гласности и информированности могут быть достигнуты приемлемые результаты. Более 400 блоков во всем мире (по данным, содержащимся в Информационной системе МАГАТЭ по энергетическим реакторам на конец 1994 года, в 30 странах эксплуатируется 432 АЭС общей мощностью приблизительно 340 ГВт) обеспечивают весомую долю потребностей общества в энергии. Миллионы людей в мире добывают уран, обогащают его, создают оборудование и строят атомные станции, десятки тысяч ученых работают в отрасли. Это одна из наиболее мощных отраслей современной индустрии, ставшая уже ее неотъемлемой частью. И хотя взлет атомной энергетики сейчас сменяется периодом стабилизации мощностей, учитывая позиции, завоеванные атомной энергетикой за 40 лет, есть надежда, что она сможет сохранить свою долю в мировом производстве электроэнергии на довольно длительную перспективу, пока не будет сформирован единый взгляд в мировом сообществе на необходимость и масштабы использования атомной энергетики в мире.  

3. Гидроэнергетика

Россия  имеет огромный гидроэнергетический  потенциал, но использует его не полностью.

Гидроэнергетика занимает сравнительно небольшое место  во всей энергетической отрасли страны. Основная ее часть сосредоточена в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке.

Электроэнергия  вырабатывается на гидроэлектростанциях (ГЭС). Для работы ГЭС применяют энергию водных потоков. Их мощность напрямую зависит от количества протекающей через них воды и высоты ее падения, поэтому гидроэлектростанции строят на больших реках и водоемах.

Принцип работы ГЭС

Главной составляющей гидроэлектростанций  являются гидравлические турбины. Они  преобразуют энергию воды, текущей под напором, в механическую энергию вращения вала. Турбины бывают разных видов и зависят от скорости течения и напора воды.

Осевые  или пропеллерные турбины рассчитаны на большой расход и малый напор. Ось вращения в таких турбинах чаще всего располагают горизонтально, а саму турбину вертикально, вал выводят из полого водяного канала через уплотнение к внешнему гидрогенератору. Лопасти рабочего колеса турбины могут поворачиваться в соответствии с изменениями напора.

Радиально-осевые турбины используют при повышенных напорах. Вода, в таких турбинах входя  по радиусу, выходит в осевом направлении. Отличаются они лопатками большого диаметра, жестко закрепленными на рабочем колесе.

Ковшовые  гидротурбины используют при очень  больших напорах. Их отличает наличие  от одного до шести сопел кругового  сечения, создающих водяные струи, падающие на лопасти рабочего колеса. Перекрыванием проходного сечения сопел можно регулировать расход воды. Лопасть рабочего колеса имеет форму двойного ковша, а само колесо работает в воздухе. Такую турбину называют свободноструйной или активной, потому что в соплах напор падает до нуля и сила, действующая на лопасти, создается ударом струи.

Конструкция гидрогенератора зависит от частоты  вращения и мощности гидротурбины. Его устанавливают вертикально на подпятниках с соответствующими направляющими подшипниками. В него также входит замкнутая система воздушного охлаждения с теплообменниками и возбудитель.

Искусственные водохранилища, необходимые для  работы гидравлических турбин, создают с помощью перекрытия рек плотинами. Плотины увеличивают напор воды, этим повышают мощность гидроэлектростанций. Еще плотины позволяют предотвратить паводковые затопления и создают запас воды для населения.

Преимущества  ГЭС

Гидроэнергоресурсы считаются возобновляемым источником энергии, благодаря этому гидроэлектростанции производят наиболее дешевую электроэнергию. Достоинствами ГЭС можно считать экономию топлива, снижение загрязнения окружающей среды.

Для того чтобы наиболее полно использовать весь потенциал гидроэлектростанций, в общую энергосистему зачастую включают тепловые электростанции. Это позволяет переводить ГЭС в режим пиковой мощности при меньшей нагрузке.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) имеют массу  преимуществ. Они могут работать в насосном и турбинном режимах. Насосный режим позволяет перекачивать воду из низового водоема в верховой, тем самым, запасая ее на случай повышенных нагрузок. Для ГАЭС проще выбрать место размещения, потому что они требуют меньше воды. На них есть возможность использовать более крупные и эффективные гидрогенераторы.

Смешанный тип гидроэлектростанций ГЭС  с ГАЭС позволяет накапливать  больше воды и вырабатывать больше энергии за более длительный период.

Недостатки  ГЭС

К недостаткам  гидроэлектростанций можно отнести  то, что их строительство занимает очень длительный период и стоит очень дорого. Создание крупных водохранилищ ведет к затоплению ценных земель, а строительство плотин препятствует естественной миграции рыб. Вода, использованная в турбинах гидроэлектростанций, становится «мертвой», в ней погибают все микроорганизмы.

4. Альтернативная  энергетика

Поиск и применение альтернативных источников энергии позволит решить ряд важных для России проблем. Это позволит экономить небезграничные запасы топлива, сократить растущее загрязнение окружающей среды. Благотворно повлияет на энергетическую безопасность страны и даст энергетическую независимость отдельным ее районам.

В настоящее  время разработаны и применяются  различные способы использования  нетрадиционных источников энергии.

Одним из основных способов получения энергии, является использование солнечной энергии, потому что ее много и она относится к возобновляемым энергоресурсам. Энергию солнца накапливают коллекторные поверхности, а затем ее преобразуют в электричество с помощью фотоэлектрических преобразователей. Электроэнергию от солнца можно также получить с помощью нагрева теплоносителя, который производит работу в том или ином термодинамическом цикле. Такой способ получения электроэнергии является наиболее безопасным для окружающей среды.

Для получения  электроэнергии можно использовать энергию ветра. Самым распространенным видом ветровых установок является турбина крыльчатого типа с горизонтальным валом. Их преимуществом считается возможность прямого соединения с генератором электрического тока без использования мультипликатора, что повышает их КПД. Карусельные ветродвигатели более тихоходны, в них используют многополюсные генераторы, которые не имеют широкого распространения. Наличие мультипликаторов существенно снижает их КПД. К преимуществам таких установок можно отнести простоту эксплуатации, возможность следить за ветром и отсутствие риска потерпеть аварию при сильных порывах ветра.

Гидроэнергия  считается одним из самых дешевых  и чистых возобновляемых энергоресурсов. Успешно себя зарекомендовало использование бесплотинных микро-ГЭС для речек, речушек и даже ручьев. Они имеют небольшой размер и способны снабжать энергией небольшое крестьянское хозяйство.

Использование волновой энергии также весьма перспективно. Источником энергии в этом случае являются океанские волны. Приливные ГЭС, использующие перепад уровней воды, имеют достаточно хорошие экономические показатели. Но размещение таких ГЭС возможно не везде, это является их основным недостатком.

Получение электроэнергии возможно при использовании  геотермальной энергии. Тепло выделяется вследствие радиоактивного распада веществ в земном ядре. Температура получается настолько высокой, что подземные воды нагреваются и превращаются в пар. Геотермальные ресурсы в основном сосредоточены в вулканических зонах. Геотермальная электростанция представляет собой систему, в которой геотермальный пар работает в паровой турбине, или с помощью него можно нагревать другую жидкость, которая будет работать в паровой турбине. Недостатком таких электростанций также является их географическое размещение.

Обширный  класс энергоресурсов представляет биомасса. Получение энергии в этом случае возможно посредством ее сжигания, газификации, пиролиза, биохимической переработки, анаэробного сбраживания. Для пополнения запасов биомассы было предложено выращивание быстрорастущих и других растений. При правильном ведении хозяйства такой энергоресурс может стать восполняемым.

В качестве альтернативного источника энергии  также выступает биогаз, получаемый из биореакторов путем переработки органических отходов.

Получение электроэнергии из мусора может стать очень полезным способом с точки зрения защиты окружающей среды.