Современные способы получения энергии

Введение

Производство электроэнергии представляет собой международный растущий рынок, приводимый в движение возрастающей потребностью в электрической энергии во всем мире. Возобновляемые источники энергии, оптимальное использование общепринятых источников и применение альтернативных видов топлива меняют динамику ландшафта производства электроэнергии, вынуждая делать переоценку соответствующих методов. Снятие ограничений, общественное сопротивление новым генерирующим объектам, экологические факторы и новые технологии, а также альтернативные источники поставок значительно усложняют эту динамическую комбинацию.

Электроэнергия - физический термин, широко распространённый в технике и в быту для определения количества электрической энергии, выдаваемой генератором в электрическую сеть или получаемой из сети потребителем. Основной единицей измерения выработки и потребления электрической энергии служит киловатт-час (и кратные ему единицы). Для более точного описания используются такие параметры, как напряжение, частота и количество фаз (для переменного тока), номинальный и максимальный электрический ток.

Электрическая энергия является также товаром, который приобретают участники оптового рынка (энергосбытовые компании и крупные потребители-участники опта) у генерирующих компаний, а участники розничного рынка у энергосбытовых компаний. Цена на электрическую энергию выражается в рублях и копейках за потребленный киловатт-час (коп/кВт·ч, руб/кВт·ч) либо в рублях за тысячу киловатт-часов (руб/тыс кВт·ч). Последнее выражение цены используется обычно на оптовом рынке. Электрическая энергия(электроэнергия): Способность электромагнитного поля совершать работу под действием приложенного напряжения в технологическом процессе её производства, передачи, распределения и потребления

Крупнейшими в мире странами-производителями электроэнергии являются вырабатывающие по 20 % от мирового производства США, Китай и уступающие им в 4 раза Япония, Россия, Индия.

На 2012 год Китай занимает лидирующее место по годовому объему выработки электроэнергии (4,8 трлн кВт?ч) и второе место в мире по генерирующей мощности энергоблоков (1,06 млрд кВт)

1. Атомная электростанция (атомный реактор)

Амтомная электростамнция (АЭС) - ядерная установка для производства энергии в заданных режимах и условиях применения, располагающаяся в пределах определённой проектом территории, на которой для осуществления этой цели используются ядерный реактор (реакторы) и комплекс необходимых систем, устройств, оборудования и сооружений с необходимыми работниками

Атомные электростанции классифицируются в соответствии с типом используемых реакторов:

с реакторами на тепловых нейтронах, в том числе с:

водоводяными

кипящими

тяжеловодными

газоохлаждаемыми

графитоводными

высокотемпературными газоохлаждаемыми

тяжеловодными газоохлаждаемыми

тяжеловодными водоохлаждаемыми

кипящими тяжеловодными

с реакторами на быстрых нейтронах

На рисунке 1 показана Схема работы атомной электростанции на двухконтурном водо-водяном энергетическом реакторе

Рис 1 Схема работы атомной электростанции на двухконтурном водоводяном энергетическом реакторе

Энергия, выделяемая в активной зоне реактора, передаётся теплоносителю первого контура. Далее теплоноситель поступает в теплообменник (парогенератор), где нагревает до кипения воду второго контура. Полученный при этом пар поступает в турбины, вращающие электрогенераторы. На выходе из турбин пар поступает в конденсатор, где охлаждается большим количеством воды, поступающим из водохранилища.

1.1 Преимущества и недостатки АЭС

Примущества:

практическая независимость от источников топлива из-за небольшого объёма используемого топлива

относительная экологическая чистота. На ТЭС суммарные годовые выбросы вредных веществ, в которые входят сернистый газ, оксиды азота, оксиды углерода, углеводороды, альдегиды и золовая пыль, на 1000 МВт установленной мощности составляют от примерно 13 000 тонн в год на газовых и до 165 000 тонн на пылеугольных ТЭС. Подобные выбросы на АЭС полностью отсутствуют

АЭС не потребляет кислород вообще, в отличие от ТЭС

некоторые АЭС отводят часть тепла на нужды отопления и горячего водоснабжения городов, что снижает непродуктивные тепловые потери, существуют действующие и перспективные проекты по использованию «лишнего» тепла в энергобиологических комплексах (рыбоводство, выращивание устриц, обогрев теплиц и пр.).

Недостатки:

тяжелые последствия аварий

иквидация после выработки ресурса

нежелательна работа в манёвренных режимах, то есть покрытие переменной части графика электрической нагрузки

Любая работающая АЭС оказывает влияние на окружающую среду по трём направлениям:

газообразные (в том числе радиоактивные) выбросы в атмосферу;

выбросы большого количества тепла;

распространение вокруг АЭС жидких радиоактивных отходов.

2. Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания появился примерно через 100 лет после паровой машины. И хотя он в чем-то на нее похож, однако работает этот двигатель гораздо лучше. Он быстрее, экономичнее, и имеет более высокий к.п.д., доходящий до 35 и даже 39%. При одной и той же мощности двигатель внутреннего сгорания почти втрое легче паровой машины.

На рисунке 2 показана схема работы двигателя внутреннего сгорания

У этого двигателя также есть цилиндр и поршень. Только в цилиндр впускают не пар, а горючую смесь - воздух и топливо (бензин, керосин, соляровое масло, нефть). Порция топлива сгорает между головкой цилиндра и днищем поршня - в камере сгорания. Сгорая, бензин, керосин или нефть превращаются в газ, который занимает примерно в 800 раз больший объем. Потому в камере очень резко повышается давление.

2.1 Воздействие тепловых двигателей на окружающую среду

Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов.

Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.

Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. В-третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2-3 тонны свинца.

Выбросы вредных веществ в атмосферу - не единственная сторона воздействия тепловых двигателей на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на Земле.

2.2 Методы борьбы с вредными воздействиями тепловых двигателей на окружающую среду

Один из способов уменьшения путей загрязнения окружающей среды связан с использованием в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца.

Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород.

Другой способ заключается в увеличении КПД тепловых двигателей. В Институте нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН разработаны новейшие технологии превращения углекислого газа в метанол (метиловый спирт) и диметиловый эфир, увеличивающие в 2-3 раза производительность аппаратов при значительном уменьшении электроэнергии. Здесь был создан реактор нового типа, в котором производительность увеличена в 2-3 раза.

Введение этих технологий снизит накопление углекислого газа в атмосфере и поможет не только создать альтернативное сырьё для синтеза многих органических соединений, основой для которых сегодня служит нефть, но и решить упомянутые выше экологические проблемы.

3.Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанция (ГЭС) - электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству каньонообразные виды рельефа.

3.1 Принцип работы

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией - естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Мощность ГЭС зависит от напора и расхода воды, а также от КПД используемых турбин и генераторов. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

Схема плотины изображена на рисунке 3

Рис.3 Схема плотины гидроэлектростанции

3.2Особенности

Себестоимость электроэнергии на российских ГЭС более чем в два раза ниже, чем на тепловых электростанциях.

Турбины ГЭС допускают работу во всех режимах от нулевой до максимальной мощности и позволяют плавно изменять мощность при необходимости, выступая в качестве регулятора выработки электроэнергии.

Сток реки является возобновляемым источником энергии.

Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое, чем тепловых станций.

Часто эффективные ГЭС более удалены от потребителей, чем тепловые станции.

Водохранилища часто занимают значительные территории, но примерно с 1963 г. начали использоваться защитные сооружения (Киевская ГЭС), которые ограничивали площадь водохранилища, и, как следствие, ограничивали площадь затопляемой поверхности (поля, луга, поселки).

Плотины зачастую изменяют характер рыбного хозяйства, поскольку перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам, однако часто благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом водохранилище и осуществлению рыбоводства.

Водохранилища ГЭС, с одной стороны, улучшают судоходство, но с другой - требуют применения шлюзов для перевода судов с одного бьефа на другой.

Водохранилища делают климат более умеренным.

3.3 Преимущества и недостатки

Преимущества:

использование возобновляемой энергии;

очень дешевая электроэнергия;

работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу;

быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции.

Недостатки:

затопление пахотных земель;

строительство ведется только там, где есть большие запасы энергии воды;

горные реки опасны из-за высокой сейсмичности районов;

экологические проблемы: сокращенные и нерегулируемые попуски воды из водохранилищ по 10-15 дней (вплоть до их отсутствия), приводят к перестройке уникальных пойменных экосистем по всему руслу рек, как следствие, загрязнение рек, сокращение трофических цепей, снижение численности рыб, элиминация беспозвоночных водных животных, исчезновение мест гнездования многих видов перелетных птиц, недостаточное увлажнение пойменной почвы, негативные растительные сукцессии (обеднение фитомассы), сокращение потока биогенных веществ в океаны.

4. Тепловые электростанции

электростанция реактор двигатель

Согласно общепринятому определению, тепловые электростанции - это электростанции, вырабатывающие электроэнергию посредством преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала электрогенератора.

Первые ТЭС появились еще в конце XIX века в Нью-Йорке (1882 год), а в 1883 году первая тепловая электростанция была построена в России (С.Петербург). С момента своего появление, именно ТЭС получили наибольшее распространение, учитывая все увеличивающуюся энергетическую потребность наступившего техногенного века. Вплоть до середины 70-х годов прошлого века, именно эксплуатация ТЭС являлась доминирующим способом получения электроэнергии. К примеру, в США и СССР доля ТЭС среди всей получаемой электроэнергии составляла 80%, а во всем мире - порядка 73-75%.

4.1 Принцип работы

Выработка электричества в ТЭС происходить при участии множества последовательных этапов, но общий принцип её работы очень прост. Вначале топливо сжигается в специальной камере сгорания (паровом котле), при этом выделяется большое количество тепла, которое превращает воду, циркулирующую по специальным системам труб расположенным внутри котла, в пар. Постоянно нарастающее давление пара вращает ротор турбины, которая передает энергию вращения на вал генератора, и в результате вырабатывается электрический ток.

Система пар/вода замкнута. Пар, после прохождения через турбину, конденсируется и вновь превращается в воду, которая дополнительно проходит через систему подогревателей и вновь попадает в паровой котел.

На рисунке 4 изображена работа ТЭЦ

Рис. 4 Принцип работы ТЭЦ

4.2 Преимущества и недостатки

Преимущества:

Используемое топливо достаточно дешево.

Требуют меньших капиталовложений по сравнению с другими электростанциями.

Могут быть построены в любом месте независимо от наличия топлива. Топливо может транспортироваться к месту расположения электростанции железнодорожным или автомобильным транспортом.

Занимают меньшую площадь по сравнению с гидроэлектростанциями.

Стоимость выработки электроэнергии меньше, чем у дизельных электростанций.

Недостатки:

Загрязняют атмосферу, выбрасывая в воздух большое количество дыма и копоти.

Более высокие эксплуатационные расходы по сравнению с гидроэлектростанциями.

5. Некоторые пути решения проблем современной энергетики

Несомненно, что в ближайшей перспективе тепловая энергетика будет оставаться преобладающей в энергетическом балансе мира и отдельных стран. Велика вероятность увеличения доли углей и других видов менее чистого топлива в получении энергии. В этой связи рассмотрим некоторые пути и способы их использования, позволяющие существенно уменьшать отрицательное воздействие насреду. Эти способы базируются в основном на совершенствовании технологий подготовки топлива и улавливания вредных отходов. В их числе можно назвать следующие.

Использование и совершенствование очистных устройств. В настоящее время на многих ТЭС улавливаются в основном твердые выбросы с помощью различного вида фильтров. Наиболее агрессивный загрязнитель - сернистый ангидрид на многих ТЭС не улавливается или улавливается в ограниченном количестве. В то же время имеются ТЭС (США, Япония), на которых производится практически полная очистка от данного загрязнителя, а также от окислов азота и других вредных полютантов. Для этого используются специальные десульфурационные (для улавливания диоксида и триоксида серы) и денитрификационные (для улавливания окислов азота) установки. Наиболее широко улавливание окислов серы и азота осуществляется посредством пропускания дымовых газов через раствор аммиака.

Конечными продуктами такого процесса являются аммиачная селитра, используемая как минеральное удобрение, или раствор сульфита натрия (сырье для химической промышленности). Такими установками улавливается до 96% окислов серы и более 80% оксидов азота. Существуют и другие методы очистки от названных газов.

2. Уменьшение поступления соединений серы в атмосферу посредством предварительного обессеривания (десульфурации) углей и других видов топлива (нефть, газ, горючие сланцы) химическими или физическими методами. Этими методами удается извлечь из топлива от 50 до 70% серы до момента его сжигания.

3. Большие и реальные возможности уменьшения или стабилизации поступления загрязнений в среду связаны с экономией электроэнергии. Особенно велики такие возможности для России за счет снижения энергоемкости получаемых изделий. Например, в США на единицу получаемой продукции расходовалось в среднем в 2 раза меньше энергии, чем в бывшем СССР. В Японии такой расход был меньшим в три раза. Не менее реальна экономия энергии за счет уменьшения металлоемкости продукции, повышения ее качества и увеличения продолжительности жизни изделий. Перспективно энергосбережение за счет перехода на наукоемкие технологии, связанные с использованием компьютерных и других устройств.

4. Не менее значимы возможности экономии энергии в быту и на производстве за счет совершенствования изоляционных свойств зданий. Реальную экономию энергии дает замена ламп накаливания с КПД около 5% флуоресцентными, КПД которых в несколько раз выше.

Крайне расточительно использование электрической энергии для получения тепла. Важно иметь в виду, что получение электрической энергии на ТЭС связано с потерей примерно 60-65% тепловой энергии, а на АЭС - не менее 70% энергии.

Энергия теряется также при передаче ее по проводам на расстояние. Поэтому прямое сжигание топлива для получения тепла, особенно газа, намного рациональнее, чем через превращение его в электричество, а затем вновь в тепло.

5. Заметно повышается также КПД топлива при его использовании вместо ТЭС на ТЭЦ. В последнем случае объекты получения энергии приближаются к местам ее потребления и тем самым уменьшаются потери, связанные с передачей на расстояние. Наряду с электроэнергией на ТЭЦ используется тепло, которое улавливается охлаждающими агентами. При этом заметно сокращается вероятность теплового загрязнения водной среды. Наиболее экономично получение энергии на небольших установках типа ТЭЦ (иогенирование) непосредственно в зданиях. В этом случае потери тепловой и электрической энергии снижаются до минимума. Такие способы в отдельных странах находят все большее применение.

6. Альтернативные источники получения энергии

Основные современные источники получения энергии (особенно ископаемое топливо) можно рассматривать в качестве средства решения энергетических проблем на ближайшую перспективу. Это связано с их исчерпанием и неизбежным загрязнением среды. В этой связи важно познакомиться с возможностями использования новых источников энергии, которые позволили бы заменить существующие. К таким источникам относится энергия солнца, ветра, вод, термоядерного синтеза и других источников.

Вывод

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.

Список литературы

1. Банников А.Г., Рустамов А.К., Вакулин А.А. Охрана природы : Учеб. Для с.-х. учеб. заведений. - М.: Агропромиздат, 1995.

2. Воронков Н.А. Экология общая, социальная, прикладная: Учебник для студентов высших учебных заведений. Пособие для учителей.-М.:Агар, 1999.

3. Корнеева А.И. Общество и окружающая среда. - М.: Мысль, 1995.

4. Миллер Тайлер. Жизнь в окружающей среде. Перевод Алексеевой Б.А. под редакцией Г.А. Ягодина. Москва: Прогресс. Пангея, 1993.

5. Человек и экология : Сборник / Ред. Н. Филипповский. - М.: Знание, 1990.

Размещено на Allbest.ru