ТЕМА 1. ВВЕДЕНИЕ

Предмет, основные понятия и определения

Энергия является важнейшим элементом устойчивого развития любого государства. Каждый виток вверх по спирали исторического развития человечества сопровождается более высоким уровнем потребления энергии. Подсчитано, что за 20-е столетие общее потребление первичных энергоресурсов в мире увеличилось в 13,5 раз, достигнув в 2000 году 13,5 млрд. т У.Т. Такие темпы расходования первичных энергоресурсов грозят быстрому истощению природных запасов

Энергосбережение - организационная, научная, практическая, информационная деятельность государственных органов, юридических и физических лиц, направленная на снижение расхода (потерь) топливно-энергетических ресурсов в процессе их добычи, транспортировки, хранения, производства, использования и утилизации.

В состав топливно-энергетического комплекса (ТЭК) входят пять систем энергетики:

· электроэнергетическая система (электроэнергетика), в состав которой в качестве подсистемы входит теплоснабжающая система (теплоэнергетика);

· система нефтеснабжения;

· система газоснабжения;

· система углеснабжения;

· система ядерной энергетики;

Производство электроэнергии обеспечивают электрические станции, преобразование – трансформаторы, транспортирование и распределение электрической энергии – линии электропередачи, потребление – различные приемники т.е. потребители энергии.

Под электроэнергетической системой , следует понимать совокупность взаимосвязанных электрических станций, подстанций, линий электропередач, электрических и тепловых сетей, а также потребителей электрической и тепловой энергии.

1.3. Эффективность использования и потребления энергии в мире и Беларуси

Эффективность использования и потребления энергии в любой стране оценивается энергообеспеченностью или удельными затратами условного топлива на 1-го жителя страны в год. Сравнительные данные по энергообеспеченности, валовому национальному продукту (ВНП) на душу населения и по энергоемкости ВНП по некоторым странам приведены в таблице 1.1.Таблица 1.1 Данные по ВНП, обеспеченности ТЭР и энергоемкости ВНП по некоторым странам.

№ п/п	Страна	ВНП на душу населения, дол. США	Потребление ТЭР на 1 чел. в год, т У.Т./чел.	Энергоем-кость ВНП, кг У.Т./дол.США	Сравнитель-ная оценка энергоемкости ВНП, %
	Республика Беларусь		3,8	1,76
	Украина		4,7	2,46
	Россия		5,8	2,19
	Германия		5,9	0,23	13,1
	США		11,3	0,44	25,0
	Финляндия		8,5	0,45	26,0
	Франция		5,5	0,23	13,1
	Швеция		8,0	0,34	19,3
	Япония		5,5	0,16	9,1

Анализируя данные, приведенные в таблице 1.1, необходимо отметить, что наибольшее потребление ТЭР среди приведенных стран имеют США – 11,3 т У.Т. на человека в год. В Республике Беларусь потребляется 3,6 т У.Т.. Здесь же приведено и сравнение энергоемкости ВНП стран по отношению к энергоемкости ВНП Беларуси.

Разразившийся в 1973-74 годах первый нефтяной кризис заставил индустриальные страны пойти на чрезвычайные меры, начать разрабатывать новые подходы к энергопотреблению. Для этого экономики этих стран подверглись коренной структурной, технологической и технической перестройке. Начиная с 1980-х годов, они начинают наращивать валовый национальный продукт, практически не увеличивая потребление энергоресурсов. Так, например, США за период с 1973 по 1987 годы увеличили ВНП на 40,2%, а энергопотребление увеличилось всего лишь на 3,2%. Аналогичная ситуация происходила и в промышленно развитых странах Европы. При росте ВНП на 13% потребление энергии в 1985 году оказалось даже на 6% ниже, чем в 1979году. За последние 20 лет энергоемкость ВНП в мире снизилась в среднем на 18%, а в индустриальных странах – на 21 – 27%.

Аналогичная ситуация происходит и Республике Беларусь (рисунок 1.1). За период времени с 1997 года по 2007 год ВВП страны вырос на 200,5%, а потребление ТЭР осталось практически на том же уровне – 104,5%. Это способствовало снижению энергоемкости ВВП, относительно данных за 1997г., на 47,9%. Показатели энергоемкости ВВП, исчисляемые по паритету покупательской способности, по различным странам мира в 2002 году приведены на рисунке 1.2. Как видно из этих данных энергоемкость ВВП в Беларуси составила 0,73 кг У.Т./доллар США. В России этот показатель оказался равным 0,84, а на Украине – 0,89 кг У.Т./доллар США. Это означает,

Еще одной проблемой экономики Республики Беларусь является энергоемкость продукции наших предприятий. По оценкам зарубежных специалистов энергоемкость продукции в среднем в 2 – 2,5 раза выше, чем в индустриально развитых странах. Так, например, при производстве химических удобрений у нас тратится электроэнергии в 2,3 раза, а тепловой энергии в 2,6 раза больше чем за рубежом. При переработке нефти на наших нефтеперерабатывающих заводах тратится энергии в 1,8 – 2,5 раза больше чем на аналогичных зарубежных заводах. Аналогичная ситуация наблюдается и в других секторах экономики, так энергоемкость сельхозпродукции в 3 – 4 раза выше, чем в развитых странах.

Все выше сказанное показывает, что мировой уровень технологий в сложившейся структуре энергопотребления позволяет в 1,5-2 раза снизить энергопотребление в энергоемких производствах.

ТЕМА 2. ВИДЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ

Энергетическим ресурсом называют любой источник энергии, естественный или искусственно активированный, в котором сосредоточена энергия, используемая человеком.

Энергоресурсы можно классифицировать по следующим признакам:

1. По источникам получения ресурсы бывают ─ первичные (природные) и вторичные.

Первичные энергетические ресурсыв свою очередь разделяются:

2.По способам использования на топливные и нетопливные;

3. по признаку сохранения запасов на возобновляемые и невозобновляемые.

К топливным ресурсам относятся горючие вещества, которые сжигаются для получения тепловой энергии, например, все природные запасы топлив (нефть, газ, уголь, торф и т. п.).

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

Энергия - всеобщая основа природных явлений, ба­зис культуры и всей деятельности человека. В то же вре­мя энергия понимается как количественная оценка раз­личных форм движения материи, которые могут превра­щаться одна в другую. По видам энергия подразделяется на химическую, механическую, электрическую, ядерную и т. д. Возможная для практического использования че­ловеком энергия сосредоточена в материальных объек­тах, называемых энергетическими ресурсами.

Из многообразия энергоресурсов, встречающихся в природе, выделяют основные, используемые в боль­ших количествах для практических нужд. К ним отно­сят органические топлива, такие, как уголь, нефть, газ, а также энергию рек, морей и океанов, солнца, ветра, тепловую энергию земных недр (геотермальную) и т. д.

Энергоресурсы разделяют на возобновляемые и невозобновляемые. К первым относят энерго­ресурсы непрерывно восстанавливаемые природой (вода, ветер и т. д.), а ко вторым - энергоресурсы, ранее на­копленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся (например, каменный уголь).

Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), называется первичной. Энергия, получаемая человеком после преобразования первичной энергии на специальных установках - станциях, называется вторич­ной (энергия электрическая, пара, горячей воды и т. д.). В своем названии станции содержат указание на то, какой вид первичной энергии на них преобразуется. На­пример, тепловая электрическая станция (сокращенно ТЭС) преобразует тепловую энергию (первичную) в эле­ктрическую энергию (вторичную), гидроэлектростанция (ГЭС) -энергию воды в электрическую, атомные элект­рические станции (АЭС) -атомную энергию в электри­ческую; кроме того, первичную энергию приливов преобразуют в электрическую на приливных электростанциях (ПЭС), аккумулируют энергию воды - на гидроаккумулирующих станциях (ГАЭС) и т. д.

Получение энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей происходит в процессе энергетиче­ского производства, в котором можно выделить пять стадий.

1. Получение и концентрация энергетических ресур­сов: добыча и обогащение топлива, концентрация напо­ра с помощью гидротехнических сооружений и т. д.

2. Передача энергетических ресурсов к установкам, преобразующим энергию; она осуществляется перевозка­ми по суше и воде или перекачкой по трубопроводам во­ды, газа и т. д.

3. Преобразование первичной энергии во вторичную, имеющую наиболее удобную для распределения и по­требления в данных условиях форму (обычно в элект­рическую энергию и тепловую).

4. Передача и распределение преобразованной энер­гии.

5. Потребление энергии, осуществляемое как в той форме, в которой она доставлена потребителю, так и в преобразованной.

Если общую энергию применяемых первичных энер­горесурсов принять за 100%, то полезно используемая энергия составит только 35-40%; остальная часть теря­ется, причем большая часть - в виде теплоты (рис. 1.1).

Потери энергии определяются существующими в на­стоящее время техническими характеристиками энерге­тических машин.

Различные виды энергоресурсов неравномерно рас­пределены по районам Земли, по странам, а также внут­ри стран. Места их наибольшего сосредоточения обычно не совпадают с местами потребления, что наиболее за­метно для нефти. Больше половины всех мировых запа­сов нефти сосредоточено в районах Среднего и Ближнего Востока, а потребление энергоресурсов в этих районах в 4-5 раз ниже среднемирового. В этой ситуации важно создать оп­тимальные межгосударственные потоки энергоресурсов и продуктов их переработки и максимально использовать запасы энергоресурсов, расположенные вблизи от основ­ных потребляющих районов.

Концентрация потребления энергоресурсов в наибо­лее развитых странах привела к такому положению (рис. 1.2), когда 30% населения в мире потребляет 90% всей вырабатываемой энергии, а 70% населения - только 10% энергии. При этом примерно 3 / 4 установленной мощности электростанций и мирового производства электроэнергии приходится всего на 10 наиболее промышленно развитых стран.

Рис. 1.1. Схемы использования энергии:

а - механической энергии и теплоты, доставленных потребителям; б - энер­гетических ресурсов

Наблюдается тенденция увеличения неравномер­ности потребления энергетических ресурсов. Так, свыше половины населения земного шара, проживающего в раз­вивающихся странах, потребляют менее 100 кВт*ч элект­роэнергии, приходящейся на одного человека при средне­мировом показателе, близком к 1500 кВт*ч.

Рис. 1.2. Характеристики мирового потребления энергоре­сурсов:

максимальное и минимальное потребление энергии на душу населения

Эти цифры характеризуют социальное неравенство, отраженное в неравномерности потребления энергоресурсов. Тенденция к увеличению неравномерности общего потребления энергии в капиталистических странах иллюстрируется.

Несовпадения мест сосредоточения и потребления энергоресурсов вызывают необходимость их транспорти­ровки. Энергия может передаваться в различной форме (рис 1.3). Например, можно перевозить нефть и уголь от месторождений до крупных промышленных центров и городов и затем сжигать их на электростанциях, пре­вращая электрическую энергию в тепловую. Возможен и другой вариант, когда электростанция сооружается вблизи месторождений топлива, а электрическая энергия передается по проводам к удаленным промышленным предприятиям и городам.

Целесообразность передачи на расстояние тех или иных носителей энергии определяется их энергоемкостью, под которой понимается количество энергии приходя­щееся на единицу массы физического тела. Среди при­меняемых энергоносителей наибольшей энергоемкостью обладают радиоактивные изотопы урана и тория: 2 22 ГВт-ч/кг (8-Ю 12 Дж/кг). Вследствие огромной энергоемкости атомного топлива практически не сущест­вует проблемы транспорта его на расстояние, так как для работы мощных электрических установок требуются сравнительно малые его количества. Энергоемкость при­меняемого топлива в среднем по всем видам составляет 0,834 кВт*ч/кг (3*10 6 Дж/кг).

Таблица 1.1

Органическое топливо вследствие его специфических свойств и исторически сложившихся условий пока остается основным источником используемой человечеством энергии. Мировые запасы органического топлива приве­дены в табл. 1.1. Запасы топлива, имеющего различную энергоемкость, удобно выражать в условном топливе.

Топливо по своей природе относится к невозобновляемым источникам энергии, так как оно запасено в далекие доисторические эпохи и практически не восполня­ется.

Оценки запасов орга­нического топлива колеб­лются в широких преде­лах в зависимости от учи­тываемых условий его за­легания и возможностей добычи. Прогнозные, или геологические, запасы топ­лива, получаемые на ос­нове теоретического предсказания, существенно больше. В табл. 1.1 при­ведены округленные оцен­ки запасов топлива на планете и соответствующие им периоды времени, в течение которых топливо может быть использовано полностью. При этом, если геологические запасы топлива принять за единицу, то достоверные за­пасы оказываются в 2 раза меньше, а запасы, которые можно извлечь с учетом современных технических и эко­номических возможностей,- в 4 раза меньше.

Рис. 1.4. Графики роста мирового продукта и энергопотребления

Потребление энергоресурсов быстро растет, что вы­зывается непрерывным увеличением мирового промыш­ленного производства (рис. 1.4). Предполагается, что к 2000 г. потребление энергоресурсов составит 160-240 тыс. ТВт-ч (что соответствует условному топливу массой 20-30 млрд. т). Оставшихся после 2000 г.

Рис. 1.5. Графики изменения во времени мирово­го потребления различных энергетических ресур­сов, выраженных в условном топливе (фактиче­ское и ожидаемое)

Мировых запасов энергоресурсов без учета возможностей ядерной и термоядерной энергетики, видимо, хватит еще на 100- 250 лет. Эти данные, конечно, ориентировочны, однако все же они дают некоторую картину будущего. На рис. 1.5 приведены данные о мировом потреблении важ­нейших энергоносителей.

Общее мировое производство энергоресурсов, приве­денных к условному топливу, в 2000 г. составило около 20 млрд. т. В его структуре ведущее значение имеют нефть и газ, доля которых составляет 3 / 5 всего про­изводства энергоресурсов; 1/5 приходится на ядер­ное горючее; оставшуюся часть составляют твердые топли­ва (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Структура мирового потребления топливно-энерге­тических ресурсов

Значительные изменения в структуре мирового топ­ливно-энергетического баланса произошли в 60-е годы.

Увеличилось относительное потребление жидкого и газо­образного топлива. Так, в 1970 г. доля нефти в общем мировом потреблении энер­гии составила 46%, а при­родного газа - 20 %.

До конца текущего сто­летия основной прирост энергопотребления будет обеспечиваться за счет при­родного газа, угля и ядерной энергии. В начале XXI в. ожидается увеличение доли возобновляемых источников энергии, таких, как энергия солнца, ветра, тепловая энергия земных недр и др. По предварительным оценкам, на долю таких источников энергии, включая ядерную, будет приходиться около 40% суммарного производства первичных энергоресурсов в СССР. Поэтому уже сейчас в нашей стране ведутся интенсивные теоретические и экспериментальные иссле­дования по эффективному освоению практически неис­черпаемых возобновляемых источников энергии.

Данные, оценивающие технические и экономические возможности использования энергии, меняются со вре­менем. Поэтому прогнозы, построенные на основе этих данных, следует рассматривать как ориентировочные, которые должны периодически корректироваться.

Интересно проследить эволюцию потребления раз­личных видов энергии начиная с доисторических времен (рис. 1.7, а). Мускульная энергия человека и животных, иногда называемая «биологической» энергией, некогда была единственным источником энергии. В настоящее время она составляет величину, меньшую 1% от общего потребления энергии (на рис. 1.7 не показана). Доля мускульной энергии будет уменьшаться и в дальнейшем. Это свидетельствует о том, что высокий уровень разви­тия производительных сил позволил человеку почти пол­ностью переложить на машины усилия по изготовлению необходимой продукции. Для того чтобы машины могли выполнять такую работу, человек на основе познанных им и практически используемых законов природы дол­жен был привести в действие огромные мощности, при­ложив их к средствам труда. Эти мощности современных орудий труда стали неизмеримо превышать ту макси­мальную мощность, кото­рая могла быть получена за счет биологических ис­точников.

Рис. 1.7. Характеристики энергетических ре­сурсов Земли и их использование:

а - схема исторического изменения различных ви­дов энергии, потребляемой человеком; б - диаграммы потребления различных источников первичной энергии в США; в - структура потребления энерго­ресурсов в СССР; г - структура использования в народном хозяйстве СССР органического топлива и ядерной энергии; д-прогноз мирового потребления горючих полезных ископаемых

Рис. 1.7. Продолжение

Первыми источниками теплоты были различные органические остатки и древесина. Древесина на протяжении длительного периода, вплоть до XVI в., была основным энергоно­сителем. Впоследствии, по мере относительно быстрого освоения других, более энер­гоемких источников энергии (угля, нефти), сокращалось потребление древесины, использование которой в каче­стве энергоносителя до 2000 г. практически полностью прекращено.

Среди доступных энергоресурсов наибольшая доля приходится на уголь (75-85%); значительны запасы нефти (10-15%) и газа (5-10%); все остальные энер­горесурсы в совокупности составляют менее 2%.

В начале XX в. уголь занимал наибольшую долю от всех используемых энергоресурсов. По мере увеличе­ния потребности в нефти, газе доля угля в выработке электроэнергии уменьшалась. На рис. 1.7,6 показана динамика потребления различных энергоресурсов в США, а на рис. 1.7, в - в СССР. Использование энер­гетических ресурсов для различных технических и тех­нологических нужд в СССР иллюстрируется рис. 1.7, г.

Начало 70-х годов характеризуется выравниванием потребления таких энергоресурсов, как уголь, нефть и газ, а в некоторых странах даже уменьшением (в аб­солютных цифрах) добычи угля.

Прогноз расходования мировых запасов органическо­го топлива (рис. 1.7, д) неоднократно служил поводом

Рис. 1.7. Продолжение

для высказываемых в западных странах опасениях об «энергетическом голоде», «тепловой смерти» и т. д., якобы ожидающих человечество. Однако для таких мрачных предсказаний нет оснований. Напротив, можно полагать, что на смену органическому топливу, запасы которого действительно уменьшаются, придут новые эф­фективные источники энергии и в первую очередь ядер­ная энергия, получаемая при делении тяжелых и синте­зе легких элементов. Органическое топливо будет приме­няться как ценное сырье для химической и фармацев­тической промышленности.

Разумное сочетание различных энергоресурсов и пла­новое развитие энергетики несомненно позволили бы избежать тех трудностей, приобретающих иногда катастрофический характер, которые возникли в начале 70-х годов в ряде капиталистических стран. Эти трудности, получившие в западных капиталистических странах и в США название энергетического кризиса, были вызваны многолетним хищническим использованием международ­ными монополиями сырьевых ресурсов стран и континен­тов. Так, международный нефтяной картель, состоящий из семи монополий (пять из которых американские), практически полностью контролировал добычу нефти в странах Арабского Востока и прочно захватил домини­рующие позиции на рынках государств - потребителей нефти. Этот картель в целях извлечения максимальных прибылей тормозил работы по использованию других видов энергии. В странах Западной Европы сокращалась добыча каменного угля, закрывались шахты, часто не­оправданно придерживалось развитие атомной энерге­тики.

Монополии, картели не останавливались ни перед какими средствами, чтобы сохранить свои позиции. В ряде стран, например, они давали огромные взятки, чтобы провалить законы о национализации энергетики (США) или дискредитировать и затормозить программу строительства атомных станций (Италия) и т. д.

Ориентация энергетики на нефть, дававшая монопо­лиям огромные прибыли, требует в перспективе значи­тельного увеличения ее добычи. В то же время, начиная с 1973 г., страны - производители нефтистали требо­вать все большую долю прибылей: они повысили на нее закупочные цены и заявили о намерении держать при­рост добычи нефти в определенных пределах, поставив тем самым развитые капиталистическиестраны перед необходимостью пересмотра их энергетической полити­ки. При этом в некоторых планах предусматривалось развитие атомной энергетики. Однако такого рода пере­ориентация энергетической политики сопряжена с мно­гими трудностями, такими, как необходимость получе­ния ядерного топлива, потребность в дополнительных капиталовложениях (которые трудно изыскать в услови­ях перенапряженных бюджетов развитых стран), недоверие общественного мнения по обеспечению безопасности атомных электростанций, сти­мулируемое конкурирующими фирмами. Между тем, раздуваемая печатью (особенно США) тема энергетиче­ского кризиса явно преувеличена. Все соображения и данные о мировых запасах энергоресурсов следует рас­сматривать как приближенные, так как пока еще недо­статочно изучены земные недра (обследована небольшая часть залежей на суше и практически не изучены ресур­сы топлива под дном Мирового океана), имеется не­удовлетворительного качества статистический материал о залегании энергоресурсов, в различных странах суще­ствуют разные методики учета запасов. В одних случаях исходят из общегеологических запасов, в других - из достоверных, подтвержденных геологической разведкой, в третьих-из запасов, которые могут быть извлечены исходя из экономических, географических, технологиче­ских и прочих условий. Общегеологические запасы топлива планеты оценивались специалистами примерно в 200 млн. ТВт*ч, а далее было показано, что с помощью современных технологических методов можно добыть при оправданных экономических затратах более 28 000 млн. ТВт*ч, что в 380 000 раз превышает современный уро­вень годовой добычи в мире всех видов топлива. Харак­терно то обстоятельство, что, несмотря на быстрое расхо­дование энергоресурсов, их потенциальные запасы по мере проведения разведки не уменьшаются, а увеличи­ваются.

Значительная доля энергетических ресурсов расхо­дуется на электростанциях для выработки электрической энергии, получившей в настоящее время широкое приме­нение.

Суммарная мощность электростанций в мире в на­стоящее время составляет примерно 2 млрд. кВт. На долю СССР приходилось более 300 млн. кВт, что состав­ляет 15% от мощностей электростанций мира или 16% от производства электроэнергии.

В результате технического прогресса, совершенство­вания орудий труда, средств транспорта, использования научных достижений в практических целях человечество освоило огромные электрические мощности, составляю­щие примерно 8-10 млрд. кВт. Если считать, что энер­гетические установки в среднем работают с КПД, равным 0,2, то для полу­чения освоенной полезной мощности требуется из­влекать природные энер­гетические ресурсы с мощ­ностью, равной 40- 50 млрд. кВт (8/0,2 = 40 и 10/0,2=50). Потребляемая

мощность в течение суток и года изменяется. Использование мощности характеризуется графи­ком, показанным на рис.

Рис. 1.8. График использования суммарной мощности энергетиче­ских установок

Заменяя реальный график условным прямоугольни­ком равновеликой площади, получим расчетный пара­метр - продолжительность (время) использования мак­симальной мощности Т м и определим используемую в мире энергию. Ориентируясь на меньший показатель, по­лучим

Э=40 млрд. кВт*5000 ч = 200*10 3 млрд. кВт*ч.

Выразим эту энергию в массе условного топлива.

Так как 1 т такого топлива содержит энергию, рав­ную 8000 кВт*ч, то, следовательно, для приведения в действие энергетических установок в течение года потре­буется

200*10 3 млрд. кВт*ч/8*10 3 кВт*ч/т = 25 млрд. т.

Полагая, что нашу планету населяют 5 млрд. чело­век, получим, что средний расход энергетических ресур­сов, приходящийся на долю каждого человека в течение года:

25 млрд. т/5 млрд. чел. = 5 т.

Инженеру-энергетику необходимо иметь хотя бы общее представление о мировых запасах топлива. Раз­личные виды топлива имеют существенно разные энерго­емкости, величины которых приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Рис. 1.9. Оценки мировых запасов угля:

а - на различных континентах; б - перспектива использования

Уголь. Мировые геологические запасы угля, выражен­ные в условном топливе, оцениваются в 12 000 млрд. т, из которых 6000 млрд. т относятся к достоверным. Наглядное представление о мировых запасах угля и перспективах их использования дает рис. 1.9. Наиболь­шими достоверными запасами располагают СССР и США. Значительные достоверные запасы имеются в ФРГ, Англии, КНР и ряде других стран. Современная техника и технология позволяют экономически оправданно добывать лишь 50% от всех достоверных запасов угля.

В энергобалансе СССР в начале 70-х годов произо­шли существенные изменения: ископаемые угли времен­но уступили занимаемое ими ранее первое место нефти и газу. Однако роль угля в снабжении народного хозяй­ства нашей страны источниками энергии в перспективе исключительно велика. Углепромышленные бассейны имеются в пределах РФ (Печорский, Кузнецкий, Канско-Ачинский, Иркутский, Подмосковный. Запасы угля мирового масштаба находятся в Во­сточной и Западной Сибири. Среди подсчитанных общих геологических запасов углей в СССР более 90% состав­ляют энергетические угли и менее 10%-дефицитные коксующиеся угли, необходимые для металлургии. Энер­гетические угли большой массы (202 млрд. т) имеются на площадях, пригодных для открытой разработки. Это, например, Канско-Ачинский бассейн в Восточной Сиби­ри, где имеются запасы бурых углей в мощных (от 20 до 40 м) пластах, залегающих на глубине менее 200 м от поверхности, и многие другие.

Более 90% общесоюзных запасов углей находится на территории, расположенной к востоку от Урала, а 60% добываемого в СССР угля потреблялось на Урале и в западных районах. Между тем, добыча угля в европей­ской части нашей страны достигает 50% от общей добы­чи. Перспективно использование запасов угля, располо­женных за Уралом. Особенно богато угольными бассей­нами пространство между Тургайской низменностью и озером Байкал до 60° с. ш., прилегающее к Сибирской и Южно-Сибирской магистралям.,это Кузнецкий, Минусинский, Кан­ско-Ачинский, Иркутский, Нерюнгринский и многие другие бассейны. В местах разработок полезных иско­паемых создаются новые промышленно-экономические районы и центры.

Дальность перевозки каменных углей из Казахстана на Урал и в Поволжье и полная нерентабельность транспортировки на значительное расстояние рыхлых и высокозольных сибирских бурых углей, а также нере­шенность задачи сверхдальней передачи электроэнергии заставляют обратить особое внимание на расширение площадей с энергетическими углями в старых углепро­мышленных районах и поиски новых месторождений на западе РФ. В этом отношении перспективны Донецкий и Печорский бассейны, обладающие реальными для ос­воения запасами энергетических углей.

Каменный уголь состоит из остатков флоры, существовавшей на Земле в геологические эпохи задолго на нашего времени. В ка­менноугольный период жизни поверхность планеты была обильно покрыта растениями. Многие из современных растений, такие, на­пример, как папоротники, в ту эпоху имели намного большие раз­меры. Каменный уголь образовался после отмирания растений и покрытия их осадочными породами.

Растения в период жизни запасают химическую энергию, пре­вращая за счет энергии солнечных лучей углекислоту и воду в ра­створимые углеводы, откладывая их в виде клетчатки в стволах и ветках. Белковые вещества в растениях получаются синтезом неор­ганических азотсодержащих веществ, поступающих из почвы, и органических веществ, выработанных за счет энергии Солнца. По выражению акад. П. П. Лазарева «...химическая энергия, запасен­ная в древесных породах, есть превращенная энергия Солнца» .

Если дерево сжечь в присутствии кислорода с образозанием углекислоты, воды и первоначальных азотистых соединений, то полученная при этом теплота будет отвечать энергии, доставленной растению Солнцем.

При сгорании каменного угля выделяется примерно 8,14 кВт*ч/кг (29,3 МДж/ /кг) энергии.

Нефть. Оценка миро­вых запасов нефти в на­стоящее время представ­ляет особый интерес. Это вызвано быстрым ростом ее потребления и тем, что во многих странах (Япо­нии, Швеции к др.) нефть при производстве электроэнергии вытеснила уголь (в последнее время этот процесс приостановился). На транспорте за счет нефти в настоящее время удовлетво­ряется свыше 90% мирового потребления энергии.

Рис. 1.10. Примерный состав каменного угля

Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т, из которых 53 млрд. т составляют достовер­ные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Во­стока. В странах Западной Европы, где имеются высоко­развитые производительные силы, сосредоточены отно­сительно небольшие запасы нефти.

Оценки достоверных запасов нефти по своей природе динамичны. Их величина изменяется по мере проведения разведок новых месторождений. Геологические разведки, осуществляемые в широких масштабах, приводят, как правило, к увеличению достоверных запасов нефти. Все имеющиеся в литературе оценки запасов являются ус­ловными и характеризуют только порядок величин.

Быстрый рост потребления нефти определяется в ос­новном четырьмя причинами:

1) развитием транспорта всех видов и в первую оче­редь автомобильного и авиационного, для которых жид­кое топливо пока незаменимо;

2) улучшением показателей добычи, транспортировки и использования (по сравнению с твердым топливом);

3) стремлением в кратчайшие сроки и с минималь­ными затратами перейти к использованию природных энергетических ресурсов;

4) стремлением в промышленно развитых странах получить возможно большие прибыли за счет эксплуата­ции нефтяных месторождений развивающихся стран.

Несоответствие между расположением нефтяных ресурсов и местами их потребления или центрами про­изводительных сил привело к бурному прогрессу в раз­витии средств транспортировки нефти, в частности к созданию трубопроводов большого диаметра (больше 1м) и танкеров большой грузоподъемности.

Нефть была известна еще древним грекам и римлянам, которые называли ее питтолиумом. В VI в. до н. э. горючие газы, выделяю­щиеся из нефтяных источников на Апшеронском полуострове, дали повод к обожествлению вечного огня, в честь которого сооружа­лись храмы. Примерно в то же время жидкую нефть, разлитую по берегам Каспийского моря, использовали для освещения и лечения кожных болезней. В древности нефть, вытекающую из трещин в земле и нефтяных скважин, собирали в специальные ямы, из кото­рых она впоследствии забиралась для хозяйственных нужд.

По мере увеличения потребности в нефти, примерно с XVI в., стали вырывать специальные глубокие колодцы, откуда черпали нефть. Месторождения нефти представляют собой пористые пласты песчаника или известняка, пропитанные жидкостью. Сооружение колодцев в те времена было делом опасным. Колодец необходимо было рыть до пропитанного нефтью пласта, по мере приближения к которому нефтяные газы просачивались в колодец и делали не­возможным дыхание. Один из таких колодцев на Апшеронском полуострове сохранил надпись о том, что он сооружен в 1594 г.

С помощью колодцев нефть добывали до XIX в. Первая в мире нефтяная скважина пробурена в 1848 г. Ф. А. Семеновым в урочи­ще Биби-Эйбат на берегу Каспийского моря.

Нефть представляет собой бурую жидкость, содержащую в растворе газообразные и легколетучие углеводороды. Она имеет своеобразный смоляной запах. При перегонке нефти получают ряд продуктов, имеющих важное техническое значение: бензин, керосин и смазочные масла, а также вазелин, применяемый в медицине и парфюмерии.

Чтобы объяснить происхождение нефти, ученые пользовались результатами опытов, при которых производилось нагревание до высоких температур растений и остатков животных без доступа воздуха. В результате такого нагревания, называемого сухой пере­гонкой, образовывались углеводороды, сходные с углеводородами, заключающимися в нефти.

Предполагалось, что в древние времена существовавшие и умершие флора и фауна были покрыты осадочными породами на дне морей и океанов, которые образовались при опускании земной поверхности. Можно допустить, что опускание земной поверхности происходило до больших глубин, где органические остатки под дей­ствием теплоты Земли превращались в нефть. Такое воззрение со­ставляет основу биолого-геологической теории образования нефти, подтвержденной многочисленными исследованиями.

Природный газ. Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140-170 трлн. м 3 . Распределение запа­сов газа по странам и районам приведено в табл. 1.4. Эти цифры следует рассматривать как весьма прибли­женные, изменяющиеся по мере проведения разведок.

Нефть и газ нужны не столько как энергетическое сырье, сколько как сырье для химической промышлен­ности. В настоящее время известно более 5000 синтети­ческих полезных продуктов, получаемых из нефти и газа, и число их ежегодно увеличивается. Однако пока только 3-5% от добытых запасов перерабатывается как химическое сырье. Нефтяные и газовые месторождения открываются на глубине и оцениваются только бурением глубоких скважин. Затраты на бурение составляют более 70% от затрат, расходуемых на проведение геоло­горазведочных работ.

Гидроэнергетические ресурсы. Гидроэнергия на Зем­ле оценивается величиной 32 900 ТВт*ч в год. Около 25% этой энергии по техническим и экономическим ус­ловиям может использоваться для практических нужд. Эта величина примерно в 2 раза превышает современ­ный уровень ежегодной выработки электроэнергии всеми электростанциями мира. В табл. 1.5 содержатся данные о гидроэнергетических ресурсах в различных странах. В большинстве развитых капиталистических стран доля гидроэлектростанций в выработке электроэнергии сни­жается, что обусловлено освоением других наиболее эко­номичных энергоресурсов и использованием гидростан­ций преимущественно в пиковых режимах.

Гидроэнергетический потенциал рек Советского Союза велик-4000 млрд. кВт*ч (среднего­довая мощность рек равна 450 млн. кВт), что составляет 12% от потенциала рек земного шара. В нашей стране широкое использование гидроэнергетических ресурсов впервые было предусмотрено в 1920 г. Ленинским пла­ном электрификации России (ГОЭЛРО). По этому пла­ну намечалось строительство 10 крупных по тому време­ни гидроэлектростанций (Волховская, Днепровская, Свирская и др.) с установленной мощностью 640 МВт. К 1941 г. мощность всех гидроэлектростанций составила 1,4 ГВт. В военные годы широко развернулось строи­тельство ГЭС в Средней Азии, а в послевоенные (до 1966 г.)- в северо-западных районах (Кольский полу­остров, Карелия, Ленинградская область и Эстонская ССР), в Закавказье, а также на Волге, Каме и Днепре.

В конце этого периода было начато строительство круп­нейших гидростанций в Сибири (Братской, Краснояр­ской, Усть-Илимской, Саяно-Шушенской).

В соответствии с основными направлениями разви­тия электроэнергетики нашей страны в 1986 г. выработ­ка электроэнергии на гидроэлектростанциях составила 230-235 млрд. кВт-ч при установленной мощности гид­роэлектростанций 65 млн. кВт.

Уникальные запасы гидроэнергии сосредоточены на реках Ангаре и Енисее; на них будет построено более 10 крупнейших ГЭС общей установленной мощностью 60 млн. кВт, среди которых предполагается сооружение Среднеенисейской и Туруханской станций с агрегатами до 1 млн. кВт установленной мощности.

Вода океанов и морей, испаряясь под действием солнечной ра­диации, конденсируется в высоких слоях атмосферы в виде капе­лек, собирающихся в облака. Вода облаков падает в виде дождя в моря, океаны и на сушу или образует мощный снеговой покров гор. Дождевая вода дает начало рекам, питающимся подземными источниками. Круговорот воды в природе происходит под влиянием солнечной радиации, благодаря которой появляются на­чальные процессы круговорот испарение воды и движение обла­ков. Таким образом, кинетическая энергия движущейся в реках воды есть, образно говоря, освобожденная энергия Солнца.

В отличие от невозобновляемой химической энергии, запасенной в органическом топливе, кинетическая энергия движущейся в реках воды возобновляема - на гидроэлектростанциях она превращается в электрическую энергию.

Энергия приливов и отливов. В последние годы повысился интерес научной и инженерной общест­венности к проблемам широкого использования энергии солнечной радиации, ветра, геотермальной энергии, а также приливной и термальной энергии Мирового океа­на. Явления приливов и отливов связаны главным обра­зом с положением Луны на небосклоне. Солнце также влияет на приливы и отливы, однако эффект его влияния примерно в 2,6 раза меньше. В течение лунных суток, т. е. за 24 ч 50 мин, дваж­ды наблюдается повышение и понижение уровня воды в морях и океанах. Амплиту­да колебаний уровня воды в различных точках земного шара зависит от широты и характера берега континента. Ее вели­чина может быть значительной: так, око­ло Магеланова пролива зарегистрирова­на амплитуда колебаний уровня воды 18 м, а около берегов Америки - 21 м. Приливы и отливы могут на многие ки­лометры, как, например, во Франции, ме­нять границу воды и суши.

В закрытых морях (Каспийском, Чер­ном) эффекты приливов и отливов прак­тически незаметны. Максимального уров­ня приливная волна достигает в тех слу­чаях, когда Земля, Луна и Солнце находятся на одной прямой (рис. 1.11).

Рис. 1.11. По­ложения Солн­ца, Луны и Земли, влияю­щие на прили­вы

Приведенные рассуждения следуют из тех пояснений, которые дал на основе гравитационной теории Ньютон. Вкратце они сводят­ся к следующему. Пусть на Землю в направлении ЬВ (рис. 1.12) действует сила притяжения Луны, которая создает ускорение Зем­ли из, направленное по прямой ЬВ. Ускорение воды, находящейся в зоне А, больше ускорения Земли, а ускорение воды, находящейся в зоне В, меньше ускорения Земли. Различие в ускорениях приво­дит к смещению массы воды, которое в преувеличенном виде пока­зано на рис. 1.12. При вращении Земли выпуклости воды переме­щаются относительно поверхности, создавая трение, называемое приливным и приводящее К замедлению вращения Земли. По отно­шению к атмосфере, окружающей Землю, также справедливы при­веденные рассуждения. Как показали исследования, в атмосфере действительно существуют прилив­ные волны. Энергия приливов по­стоянностью своего проявления выгодно отличается от энергии (стока) рек, существенно завися­щей от атмосферных факторов, носящих вероятностный характер. Об использовании энергии при­ливов еще издавна мечтал чело­век. Сотни лет назад на побережье Европы и Северной Америки со­оружались приливные мельницы. Некоторые из них и сейчас рабо­тают в Англии и во Франции. Водяные колеса таких мельниц уста­навливались при входе в бассейн и приводились во вращение те­чением воды.

Рис. 1.12. Характер распреде­ления воды по поверхности Земли под действием Луны

В настоящее время сооружено несколько мощных электростанций, использующих энергию приливов. Одна­ко большая стоимость таких станций и трудности, свя­занные с неравноме

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Тамбовский государственный технический университет»

Кафедра: " Природопользование и защита окружающей среды "

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Экология»

На тему: «Энергетические ресурсы и их основные источники»

Преподаватель: Беляева Н.П.

Выполнил ст. группы БРТ11В: Григорьева Е.А.

Тамбов 2015

ВВЕДЕНИЕ

1. Классификация энергии

6. Пути экономии энергии

З АКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Обычно источники энергии используются тремя путями. Во-первых, получают тепловую энергию, сжигая ископаемое топливо, и используют её непосредственно для обогревания жилищ, школ, предприятий и торговых учреждений. Во-вторых, можно преобразовать заключенную в топливе тепловую энергию в работу, например, использовать продукты перегонки нефти для приведения в движение различного оборудования, а также автомобилей, тракторов, поездов, самолетов и т.д. Наконец, в-третьих, возможно преобразовать тепловую энергию, высвобождающуюся при сгорании топлива или выделяющуюся при делении ядер урана, в электрическую, а потом направить полученную электрическую энергию либо для производства тепла, либо для выполнения механической работы. Электроэнергию можно получить за счет энергии падающей воды. По существу электроэнергия играет роль удобного посредника между источником энергии и ее потребителями на месте. И как появление посредника на рынке ведет к повышению цен, так и использование энергии в форме электричества тоже приводит к подъему цен.

Преобразование различных форм энергии в электрическую практикуется в силу многих причин. В некоторых случаях просто невозможно эффективно использовать энергию, не превратив ее в электрическую. До того как было открыто электричество, энергия падающей воды (гидроэнергия) могла применяться лишь для приведения в движение механических устройств. Прядильные машины, мельницы и лесопилки на мануфактурных производствах приводились в движение энергией падающей воды. Гидроэнергия не имела другого применения до тех пор, пока не был найден способ преобразовывать ее в электричество, что сделало возможным использовать ее для приведения в движение машин, находящихся далеко от места падения воды. Сходным образом энергию деления урана невозможно использовать в сколько-нибудь крупных масштабах иным путем, чем превратив ее в электричество. И, как в случае с гидроэнергией, электричество, полученное от деления ядер урана, можно использовать не только для приведения в движение различных механизмов, но и получения тепла для обогрева домов (правда, это малоэффективно), нагревания воды и многих других целей.

В отличие от падающей воды ископаемые виды топлива применялись лишь для отопления и освещения, но не для приведения в движение различных механизмов. Дрова и уголь, а нередко и высушенный торф сжигались для обогрева жилых домов и общественных зданий, а уголь применялся и как источник тепла, необходимого при выплавке железа. Угольное масло, получаемое путем перегонки угля, заливалось в лампы. И только с изобретением парового двигателя в XVIII в. был по-настоящему раскрыт потенциал ископаемого топлива для приведения в действие разнообразных машин и механизмов. В первые десятилетия XIX в. уже использовались локомобили с паровыми двигателями, работавшие на угле. А в первые десятилетия XX в. уголь сжигался в топках котлов электростанций для производства электроэнергии, хотя такой процесс получения энергии был в то время не слишком эффективен.

1. Классификация энергии

На практике чаще всего выделяют несколько более или менее однородных форм энергии: механическую, химическую, тепловую, ядерную, световую (или лучистую) и электрическую. Механическая кинетическая энергия присуща движущимся предметам. Ею обладают такие природные явления, как течение рек, ветер, морские приливы.

Механической потенциальной энергией обладают предметы и объекты, расположенные выше уровня поверхности (т.е. такие, которым есть, куда падать). К этому виду можно отнести водные массивы, расположенные в горах или накопленные в водохранилищах (см. слайд 1).

* Химическая энергия содержится в топливе и пище и предназначена для превращения в другие формы.

* Тепловой энергией обладают хорошо нагретые предметы. Этот вид, энергии широко используется в производстве и в быту. Источники тепла могут быть найдены и в природе - это термальные источники, использовавшиеся еще древними римлянами.

* Ядерная энергия, или энергия атома, - это то, что удерживает ядра атомов, оставляя их такими, как они есть.

* Лучистая энергия, называемая также электромагнитным излучением, не только "оживляет" наши приемники и телевизоры, делает возможным беспроволочную связь, но и, в виде солнечного излучения, является главным источником энергии, движения и жизни на Земле.

Электроэнергия как правило генерируется на электрических станциях (хотя ее можно получить при помощи аккумуляторов, электрических батареек, разряда молнии или удара электрического ската). Ее роль в экономике и обществе трудно переоценить. Именно она представляет собой основу всей современной жизни.

Энергия, обеспечивающая конечные процессы производства нематериальной сферы представляет собой конечную энергию. Все такие процессы можно разделить на несколько агрегированных групп, так как:

Освещение и передача информации;

Электрофизические процессы;

Механические процессы, как стационарного (например, кузнечный пресс, металлорежущий станок и пр.), так и мобильного (например, транспорт) характера;

Тепловые процессы высокого, среднего и низкого потенциала.

Если количество конечной энергии нельзя непосредственно измерить, можно лишь вычислить, используя теоретические данные об энергоемкости отдельных процессов, то количество так называемой подведенной энергии можно определить, используя, например, счетные устройства. Подведенная энергия - это та энергия, которая обеспечивает работу конечных энергетических установок и содержится в энергоносителях - физических субстанциях, содержащих потенциальную энергию и достаточно легко преобразуемых в конечные виды. В качестве таких энергоносителей могут выступать разные факторы - различные виды топлива и электроэнергия.

2. Классификация энергоресурсов

Основой энергетического хозяйства общества, источником и энергоносителей, и, следовательно, собственно энергии являются энергоресурсы, что, очевидно означает краткое название энергетических ресурсов. Энергетический ресурс- это носитель энергии, который используется в настоящее время или может быть использован в перспективе.

Все энергоресурсы делятся на первичные и вторичные. Первичные ресурсы есть результат природных процессов. Первичный энергоресурс- это энергоресурс, который не был подвергнут никакой переработке. Это энергия, которая содержится в природных источниках и может быть преобразована во вторичную (электрическую, тепловую, механическую) энергию.

К первичным энергоресурсам относится природное топливо, а также энергия солнца, ветра, водных ресурсов, биомассы и др.

Энергоресурсы можно также разделить на топливные и нетопливные. Первичные энергоресурсы могут быть возобновляемые и невозобновляемые.

Возобновляемые природные ресурсы это такие объекты, о восстановлении запаса которых заботится сама природа. Многие из них практически не зависят от того, в какой мере общество вовлекает их в хозяйственный оборот: солнечная энергия, гидроресурсы, ветер. Есть и другие - такие, использование которых ведет к уменьшению их запаса в краткосрочном и даже достаточно длительном времени. Пример - биомасса. Они, однако, могут рассматриваться как возобновляемые в длительной перспективе .

Невозобновляемые энергоресурсы это такие ресурсы, запас которых принципиально исчерпаем, - минеральное топливо, уран.

Если коротковолновое излучение связано с прямым отражением солнечной радиации, то длинноволновое излучение является результатом природных процессов и техногенной деятельности человека.

Вторичный энергоресурс (ВЭР) (внутренний энергоресурс) - это энергоресурс, получаемый в виде побочного продукта основного производства или являющийся таким продуктом (отходы производства). Это энергетический потенциал отходов продукции, побочных и промежуточных отходов, образующихся в технологических установках (системах), который не используется в самой установке, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других установок. К вторичным энергетическим ресурсам относятся все переработанные иные или преобразованные виды топлива, а также побочная энергия производственных процессов или процессов в сфере потребления может быть утилизирована и использована вторично. Эта категория включает продукты нефтепереработки, облагороженное топливо, а также отработанный пар, отходы тепла, горячие газы. Следуя этой логике, ко вторичным энергоресурсам следует отнести также сберегаемую энергию.

3. Классификация вторичных энергоресурсов

Технологический агрегат или установка, являющаяся источником отходов энергии, которую можно использовать как полезную, называется агрегатом- источником или установкой-источником ВЭР.

Энергетический потенциал отходов и продукции классифицируется по запасу энергии в виде химически связанной теплоты (горючие ВЭР), физической теплоты (тепловые ВЭР), потенциальной энергии избыточного давления (ВЭР избыточного давления).

Горючие ВЭР.К горючим ВЭР относятся образующиеся в процессе производства основной продукции газообразные, твёрдые или жидкие отходы, которые обладают химической энергией и могут быть использованы в качестве топлива.

Источником горючих ВЭР являются лесная и деревообрабатывающая промышленность, химическая промышленность, сельское и коммунальное хозяйство.

В настоящее время большое внимание уделяется утилизации твердых древесных отходов, отходов сельскохозяйственного производства и т. п. В лесной и деревообрабатывающей промышленности приблизительно половина заготавливаемой древесины идет в отходы. Одной из первостепенных задач является их утилизация путем сжигания с целью получения теплоты.

Тепловые ВЭР. К тепловым ВЭР относится физическая теплота отходящих газов котельных установок и промышленных печей, основной или промежуточной продукции, других отходов основного производства, а также рабочих тел, пара и горячей воды, отработавших в технологических и энергетических агрегатов.

Для утилизации тепловых ВЭР используют теплообменники, котлы-утилизаторы или тепловые агенты.

Тепловые ВЭР делятся на высокотемпературные (с температурой носителя выше 500°С), среднетемпературные (при температурах от 150 до 500°С) и низкотемпературные (при температурах ниже 150 °С).

ВЭР избыточного давления. ВЭР избыточного давления могут быть использованы для производства механической работы, теплоты или холода. В первом случае для преобразования используется турбина, сопряженная на одном валу с электрическим генератором. Во втором случае энергия избыточного давления может быть также преобразована в теплоту или холод.

С техногенной деятельностью человека в первую очередь связано преобразование в тепловую энергию химической энергии органического топлива и ядерной энергии. Данные технологии преобразования первичной энергии называются традиционными технологиями.

В меньшей степени техногенная деятельность человека связана с прямым использованием солнечной энергии и использованием продуктов её конверсии. Соответственно данные технологии преобразования первичной энергии называются нетрадиционными технологиями.

Вместе с тем основной ресурс традиционных технологий преобразования первичной энергии - органическое (твёрдое, жидкое, газообразное) ископаемое топливо - ограниченный (истощаемый) энергоресурс и возможности его использования не бесконечны во времени.

В связи с этим можно более оправданным является разделение первичного энергоресурса на возобновляемыйиневозобновляемый.

Возобновляемый источник энергии - это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является её отличительным признаком.

Невозобновляемые источники энергии - это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников в отличии от возобновляемых находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека.

К нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относятся: солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков.

Хотя эти источники могут в совокупности обеспечить не более 5% всей расчетной экономии расхода топлива, их применение очень важно по нескольким причинам:

· во-первых, работы по их использованию будут способствовать развитию собственных технологий и оборудования, которые в последствии могут стать предметом экспорта;

· во-вторых, эти источники, как правило, являются экологически чистыми;

· в-третьих, их применение само по себе обеспечивает воспитание у людей психологии энергосбережения и энергоэффективности, что будет способствовать переходу от расточительной к рациональной экономии.

4. Технологии использования ВЭР

Использование ВЭР является важнейшим направлением экономии энергии на промышленном предприятии.

Под агрегатом-источником ВЭР следует понимать агрегат, в котором образуется и получает потенциал носитель ВЭР (технологические печи, реакторы, холодильники, пароиспользующие установки и т. п.) (см. слайд 7).

Вторичные энергетические ресурсы могут использоваться непосредственно без изменения вида энергоносителя для удовлетворения потребности в топливе и теплоте, либо с изменением энергоносителя путем выработки тепловой энергии, электроэнергии, холода или механической работы в утилизационных установках.

Принципиальная схема использования энергетических ресурсов и распределения энергетических потоков при утилизации ВЭР показана на слайде 8. На схеме указаны названия отдельных потоков и даны сечения, по которым определяются количественные значения этих показателей, причем наименования справа относятся только к правому потоку, а наименования слева - к обоим потокам.

При утилизации ВЭР следует различать следующие термины и понятия:

Выход ВЭР - количество ВЭР, образующихся в процессе производства в данном технологическом агрегате за единицу времени.

Выработка за счет ВЭР - количество теплоты, холода, электроэнергии или механической работы, получаемых за счет ВЭР в утилизационных установках.

Различают возможную, экономически целесообразную, планируемую и фактическую выработку.

Возможная выработка - максимальное количество теплоты, холода, электроэнергии или механической работы, которые могут быть практически получены за счет данного вида ВЭР с учетом режимов работы агрегата-источника ВЭР и утилизационной установки. Экономически целесообразная выработка - максимальное количество теплоты, холода, электроэнергии или механической работы, целесообразность получения которых в утилизационной установке (в течение рассматриваемого периода) подтверждается экономическими расчетами.

Для проектируемых установок экономически целесообразная выработка - такое количество теплоты, холода, электроэнергии или механической работы, получение которого за счет ВЭР и использование потребителями дает наибольший экономический эффект. Поскольку параметры утилизационных установок выбирают из условия их наибольшей эффективности, то возможная выработка тепловой энергии в данной утилизационной установке экономически целесообразна.

Планируемая выработка - количество теплоты, холода, электроэнергии или механической работы, которое предполагается получить за счет ВЭР при осуществлении плана развития данного производства, предприятия, отрасли в рассматриваемый период с учетом ввода новых, модернизации действующих и вывода устаревших утилизационных установок.

Фактическая выработка - фактически полученное количество теплоты, холода, электроэнергии или механической работы на действующих утилизационных установках за отчетный период.

Коэффициент выработки за счет ВЭР - отношение фактической (планируемой) выработки к экономически целесообразной (возможной).

Коэффициент выработки может определяться для одного агрегата-источника ВЭР, для группы однотипных агрегатов, для цеха, предприятия, отрасли по каждому виду ВЭР.

Использование ВЭР - количество используемой у потребителей энергии, вырабатываемой за счет ВЭР в утилизационных установках, а также топлива и теплоты, получаемых непосредственно как ВЭР.

Использование ВЭР так же, как и выработка за счет ВЭР, может быть возможное, экономически целесообразное, планируемое и фактическое (см. рис.).

При определении возможного и экономически целесообразного использования ВЭР учитывают наличие технически разработанных и проверенных методов и конструкций по утилизации ВЭР, наличие места для размещения утилизационных установок, наличие потребителей энергии и пр.

При использовании ВЭР с преобразованием энергоносителя в утилизационной установке возможное использование ВЭР равнозначно возможной выработке за счет ВЭР и численно равно ей.

Экономия топлива за счет ВЭР - количество первичного топлива, которое экономится за счет использования вторичных энергетических ресурсов. Экономия топлива, соответственно использованию ВЭР, также может быть возможная, экономически целесообразная, планируемая и фактическая. По величине экономии топлива осуществляют суммирование различных видов ВЭР.

Коэффициент утилизации ВЭР - отношение фактической (планируемой) экономии топлива за счет ВЭР к экономически целесообразной (возможной). Коэффициент утилизации может определяться для одного агрегата-источника ВЭР или для группы агрегатов, для предприятия, отрасли по каждому виду ВЭР и суммарно - для всех видов ВЭР.

5. Утилизация вторичных (побочных) энергоресурсов

Если в каком-либо производстве не удаётся полностью использовать всю энергию, нужно попытаться не сбрасывать её в окружающую среду, а продать эти ненужные вторичные (побочные) для данного производства энергоресурсы другим потребителям, либо организовать у себя специальное производство, потребляющее эту энергию. Такой подход не даёт экономии топлива в самом технологическом процесс, но может существенно улучшить экономические показатели производства за счёт средств, полученных от реализации ВЭР.

Выработка энергоносителей (водяного пара, горячей или охлаждённой воды, электроэнергии, механической работы) за счёт снижения энергетического потенциала носителя ВЭХР осуществляется в утилизационной установке.

Главная трудность при решении проблемы утилизации ВЭР обычно состоит в поисках потребителя. Приходится анализировать уже не только своё производство, но и в первую очередь сопутствующие, а иногда и совершенно не связанные. Нередко для утилизации ВЭР создают тепличные хозяйства, рыбоводные пруды и т.д. Способ утилизации ВЭР выбирают в зависимости от требований потребителя в виде вторичной энергии.

Если на производстве имеются горючие отходы - топливные ВЭР, то использовать их обычно не представляет труда. В крайнем случае, если не удастся сжечь топливные ВЭР в обычных топках, создают специальные, например топки с кипящим слоем для сжигания высокозольных твёрдых остатков углеобогатительных фабрик.

За счёт ВЭР избыточного давления в расширительных турбинах обычно получают электроэнергию. Наибольшую долю составляют тепловые ВЭР. Часто, говоря о ВЭР, только их и имеют в виду.

Тепловые ВЭР газовых потоков с высокой температурой (> 400 °С) и средней (100-400 °С) обычно используют для производства пара или подогрева воды с помощью паровых или водогрейных котлов-утилизаторов. Водогрейные котлы-утилизаторы предназначены для подогрева воды, идущей на теплофикацию жилых и общественных зданий. Конструктивно они представляют собой систему труб, через которые просачивается сетевая вода, поэтому нередко водогрейные котлы-утилизаторы называют утилизационными экономайзерами.

Широкое распространение в настоящее время получили системы испарительного охлаждения элементов высокотемпературных печей. В печах многие элементы приходится делать из металла - прежде всего это несущие и поддерживающие балки, на них ложится большая нагрузка, которую не выдержат огнеупорные материалы. Практически невозможно делать из огнеупоров и подвижные элементы, особенно те, которые должны герметично закрываться, например завалочные окна, шиберы, перекрывающие походное сечение газоходов и т.д. Но металлы могут работать только при умеренных температурах до 400-600 °С, а температура в печи намного выше. Поэтому металлические элементы печей делают полыми и внутри них циркулирует охлаждающая вода. Для исключения образования накипи и загрязнений внутри охлаждаемых элементов вода должна быть специально подготовленной. Кроме того, эту воду нужно охлаждать или сбрасывать. И в том и в другом случае происходит загрязнение окружающей среды.

Все эти недостатки исключаются, если в охлаждаемые элементы печи подают воду из контура циркуляции парового котла-утилизатора. Охлаждаемые элементы печи здесь выполняют роль испарительной поверхности, в которой теплота уже не сбрасывается в окружающую среду, а идёт на выработку пара. Питание котлов осуществляется химически очищенной водой, поэтому накипи и загрязнений внутри охлаждаемых элементов не образуется и срок их службы в 1,5-3 раза больше, чем при охлаждении проточной водой.

Система испарительного охлаждения может работать и как самостоятельный паровой котёл, но мощность его будет слишком малой. При комплексном подходе к утилизации теплоты от газов и охлаждаемых элементов конструкции печи значительно сокращаются затраты на вспомогательное оборудование, коммуникации, обслуживание и т. д.

В ряде случаев удаётся использовать теплоту раскаленных твердых продуктов. На многих металлургических комбинатах сейчас работают установки охлаждения (технологи говорят “сухого тушения”) кокса (УСТК) (рисунок 1), в которых охлаждается кокс с температурой свыше 1000°С, выгружаемый из коксовых батарей. Особая сложность этой установки состоит в том, что кокс - горючий материал. Поэтому для его охлаждения используют инертный азот, а всю установку герметизируют, по возможности предотвращая утечки азота.

Рисунок 1 - Установка охлаждения кокса.

Раскаленный кокс в специальных вагонах быстро (поскольку на воздухе он горит) транспортируется от коксовой батареи и загружается в герметичную камеру 1, затем поступает в камеры тушения 2, в которой он снизу вверх продувается инертным газом. За счёт постепенной выгрузки снизу кокс плотным слоем движется сверху вниз противотоком к охлаждающему газу. В результате кокс охлаждается от 1000-1050°С до 200-250°С, а газ нагревается от 180-200 °С до 750-800°С. Через специальные отверстия 3 и пылеосадительную камеру 4 газы попадают в котёл утилизатор 5. В нем за счет охлаждения 1 тонны кокса получают примерно 0,5 тонну пара достаточно высоких параметров p=(3,9 ё4,0) МПа и °С =(440ё450) °С. После котла-утилизатора охлажденный газ ещё раз очищают от пыли в циклоне 6 и вентилятором 7 вновь направляют в камеру тушения под специальный рассекатель для равномерного распределения по сечению камеры.

Сухой способ охлаждения по сравнению с традиционным, когда раскалённый горящий кокс действительно “тушат”, поливая водой, позволяет не только получить дополнительную энергию (утилизировать ВЭР), но и повышает качество кокса, уменьшает его потери за счёт выгорания в процессе тушения, исключает расход воды, а главное - позволяет избежать загрязнения атмосферы паром и коксовой пылью.

Аналогичные схемы утилизации теплоты других твёрдых веществ можно использовать только при достаточно большой производительности, иначе это будет экономически невыгодно по причинам, указанным выше. Производительность УСТК по коксу составляет 50-56 т/ч .

Наиболее сложно найти применение низкопотенциальным тепловым ВЭР (t<100°С). В последнее время их все шире используют для отопления и кондиционирования промышленных и жилых зданий, применяют тепловые насосы для повышения температурного потенциала или для получения холода. Непосредственно используют такие ВЭР только на отопление близко расположенных теплиц или рыбоводных хозяйств.

6. Пути экономии энергии

Общество стоит перед необходимостью поиска альтернативных источников энергии. Поиск и освоение новых источников энергии - одна из глобальных проблем современности. При многообразии представлений об энергетике будущего доминирует тенденция всемирной экономии ископаемого топлива с учетом его неизбежного удорожания, дефицита и экономических трудностей добычи и использования.

Мировая энергетическая система, основанная на высокоэффективном использовании возобновляемых источников энергии, должна быть не только менее централизованной, но и менее уязвимой при различных экономических потрясениях.

По прогнозу к 2020 г. эти источники заменят около 2,5 млрд. т топлива, их доля в производстве электроэнергии и теплоты составит 8%.

На земную поверхность в течение года поступает солнечное излучение, эквивалентное 178 тыс. ГВт лет (что примерно в 15 тыс. раз больше энергии, потребляемой человечеством). Однако 30 % этой энергии отражается обратно в космическое пространство, 50 % -- поглощается, 20 % -- идет на поддержание геологического цикла, 0,06 % -- расходуется на фотосинтез. Из всей получаемой человечеством энергии 18 % приходится на восстанавливаемые источники (включая электроэнергию), а удельное количество на единицу площади земли зависит от географического местоположения и времени года, причем количество, которое может быть преобразовано в электроэнергию, зависит от эффективности технологии по ее восприятию и преобразованию.

Многообещающим направлением представляется выращивание растений, идущих в переработку для производства энергии, на маргинальных землях, не задействованных в производстве продуктов питания. Сегодня на дрова и древесный уголь приходится 12% мирового производства энергии. В перспективе использование энергии биомассы увеличится. Уже разработана технология получения этанола из древесины, который будет стоить 2,8 дол. за 1 л и снизит потребность в бензине.

Устойчивое развитие экономики зависит, в том числе, и от сокращения отходов. По оценкам специалистов, их можно легко уменьшить - в промышленности более чем на 1/3 за счет перестройки производственных процессов. Другое важное направление уменьшения количества отходов состоит и упрощении упаковки продовольственных товаров: переход от многослойной упаковки товаров к однослойной; замена различных по размеру и форме емкостей из-под напитков на ряд стандартных многоразового пользования. Реализация этих мер позволит сэкономить большое количество энергии и материалов.

Политика энергосбережения является выгодной и с экономической, и с природоохранной точек зрения. Ведь чем меньше сжигается топлива, тем меньше загрязнение среды. К тому же экономия, полученная при отказе от строительства новых электростанций, облегчит финансирование установки скрубберов и других очистных сооружений на уже действующих объектах.

На пути экономии энергии и перехода к возобновляемым источникам энергии стоит ряд серьезных препятствий. Вот некоторые их них:

· мощные, разветвленные концерны сделали огромные капиталовложения в традиционную энергетическую технику;

· энергетика, в том числе в ФРГ и Франции, имеет большие избыточные мощности, следствием чего является "подавление" альтернативных источников энергии;

· производящие энергию предприятия хотят продавать ее во все возрастающих количествах, поэтому они не заинтересованы в экономии;

· законодательство, стимулирующее развитие энергетики, основанное на законах пятидесятилетней давности, а также современные законы о налогах и субсидиях все еще ориентируют на рост энергопотребления, на монополизацию ископаемых и ядерных энергоносителей;

· государственная бюрократия и компетентные научные организации в результате длительной привычки ориентированы на развитие техники, обеспечивающей преобразование ископаемого и ядерного топлива;

· мощное и успешно действующее угольное лобби в интересах сохранения "статус-кво" и рабочих мест требует гарантировать в долгосрочном плане высокий сбыт каменного угля, прикрываясь национальными интересами;

· привычный для цивилизации способ промышленного производства и потребления (отношение к природе как к работающей «а человека машине, безудержное повышение материального потребления и т.д.);

· отсутствие политической воли как решающей предпосылки для развития новой энергетической политики и эффективной защиты окружающей среды (по-прежнему решающей является догма "экономический рост", а вопросы защиты окружающей среды и экономии энергии обсуждаются символически).

В России накоплен определенный опыт в области нетрадиционной энергетики. Уже разработаны проекты и осуществляется строительство геотермальных электростанций, мощность которых составит к 2020 г. 250 мегаватт, в ветроустановок - 200 мегаватт. Многие российские установки не имеют аналогов в мировой практике. В первую очередь, это ветроустановки с повышенным сроком службы, применением специальных зеркал и комплексное оборудование для геотермальных электростанций.

Следует отметить, что одновременно с использованием новых видов энергии возникает новый тип экологических последствий, который затрагивает природные процессы. Так, загрязнение окружающей среды, связанное с возведением солнечных электростанций, носит вполне традиционный характер. Оно является результатом хозяйственной деятельности по добыче руды и другого сырья, а также их переработки в сталь, медь, стекло и т.д. Строительство ветроустановок создает шумовое загрязнение окружающей среды, производимое лопастями пропеллеров, вызывает помехи для воздушного сообщения и для. распространения радио- и телеволн: в местах работы ветроустановок значительно ослабевает сила воздушных потоков, что может оказать влияние на климат, а также ограничть "проветривание" близлежащих промышленных районов. К возобновляемой энергии, уже применяемой на практике, относится также геотермальная. Отрицательными экологическими последствиями ее использования являются: возможность пробуждения сейсмической активности в районах электростанций; опасность локального оседания грунтов; сильный шум, вызванный расширением газов на поверхности земли; эмиссия отравляющих газов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Энергетические проблемы сегодня один из актуальнейших вопросов международной политики и одна из тем саммита «Большой восьмерки» 2006 года в России. При всей сложности международных переговоров в данной сфере, вызванной объективным несовпадением интересов потребителей и поставщиков энергоносителей, необходимость ведения постоянного диалога очевидна всем сторонам. Экологический вызов, прежде всего в виде исчерпания природных ресурсов, чрезмерного загрязнения окружающей среды и изменения климата предопределит результат переговоров, пусть даже в настоящий момент общая картина будущего глобальной энергетики с трудом просматривается за узкогрупповыми и национальными политическими интересами. энергия вторичный невозобновляемый

Даже не рассматривая здесь подробно проблему глобального изменения климата, ясно, что есть множество других факторов, которые переводят проблему энергетической безопасности в плоскость необходимости смены «сырьевой парадигмы» - постепенного отхода от потребления невозобновляемых ископаемых видов энергоресурсов. Не так далек момент, когда энергетические затраты на добычу, транспортировку и потребление ископаемого топлива превысят энергетический же эффект от использования энергоносителей. Не могут бесконечно продолжать свой рост и цены на ископаемое топливо. Налицо масса объективных факторов, связанных с освоением новых месторождений: удаленность, климатические условия, трудности добычи и др. Кроме того, возрастают масштабы отрицательных экологических последствий, связанные с освоением новых месторождений природных ресурсов.

На фоне неизбежного увеличения затрат на добычу и транспортировку ископаемого топлива в мире Россия может оказаться одной из первых из стран, где рентабельность добычи и использования ископаемых энергоносителей станет критически низкой. Поэтому Россия нуждается сегодня в разработке собственной политики энергобезопасности, которая может идти в одном направлении с политикой других стран «Большой восьмерки».

Глобальная энергетическая политика, имеющая в своей основе только декларации и договоренности добровольного порядка, вряд ли сможет стать реальным фактором снижения энергопотребления на уровне предприятий и государств. Рано или поздно потребуется выработка экономических механизмов, стимулирующих снижение энергопотребления. При этом движущие мотивы стран - производителей и потребителей энергоресурсов различны. Для стран-экспортеров затраты на энергоэффективность могут быть менее рентабельны, так как низкие внутренние тарифы на энергоносители определяются во многом социальными и экономическими интересами. В такой ситуации возможно использовать международные механизмы выравнивания затрат и выгод. Достаточно очевидны первоочередные практические действия в развитии глобальной энергетической политики: это работа по внедрению более эффективных методов использования ископаемого топлива и международная инвентаризация возможностей развития альтернативных источников энергии. Для придания политического веса целесообразно решить вопрос о создании при Организации Объединенных Наций Международного агентства по возобновляемой энергетике.

Международное сотрудничество обеспечивается сложным, многоуровневым механизмом межгосударственного, научного, делового, информационного взаимодействия. Одним из достаточно новых и эффективных его компонентов являются международные партнерства и инициативы. Организуемые на самом разном уровне - от частного, коммерческого или научного до межгосударственного, партнерства и инициативы исполняют роль органа для работы с информацией, организации переговорного процесса, обеспечения взаимодействия экспертов и лиц, принимающих решения. Они призваны поддерживать политический диалог в целях достижения общего решения.

В энергетической области существует широкое поле для организации совместной работы в форме партнерств, инициатив и сетевых организаций. Наиболее эффективными областями приложения их усилий являются:

Информирование участников энергетического рынка путем распространения объективной и достоверной информации о состоянии, прогнозах и перспективах глобального рынка энергоносителей. Это позволит вырабатывать более правильную политику всем участникам рынка, снизит риск непредсказуемых колебаний, вызванных субъективными факторами.

Раскрытие информации на взаимной (паритетной) основе, борьба с закрытостью информации, порождающей спекуляцию, коррупцию и другие неблаговидные явления.

Пропаганда и внедрение экологически чистой энергетики путем создания сетей экспертов, банков данных, обучения специалистов, обмена опытом и лучшими примерами, демонстрация возможностей рентабельного использования возобновляемых источников энергии, способствование повышению энергоэффективности.

Подготовка переворота в сознании, в понимании истинной цены энергоресурсов, включающей экологическую составляющую, с учетом интересов живущего и последующих поколений. Создание моды, спроса на использование энергии из возобновляемых и экологически чистых источников энергии.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Баскаков, А.П. Теплотехника. 2-е издание, переработанное./ Баксаков А.П. - Москва, «Энергоатомиздат», 2005, 209 с.

2. Агеев, В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии./ В.А. Агеев - Москва, «Энергоиздат», 2006, 163 с.

3. Сибикин, Ю.Д. Технология энергосбережения./ Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин - Москва, «ФОРУМ-ИНФРА-М»2006, 262с.

4. Плюто, М.В. Рациональное использование электрической и тепловой энергии./ М.В.Плюто, Р.В. Клавсуть. - Минск, «Полымя», 1993,118 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Источники энергии в Мировом океане. Основные формы энергии морей и океанов. Особенности энергии волн, приливно-отливных движений воды, течений. Использование температурного градиента, ресурсы тепловой энергии океана. Соленая энергия морей и океанов.

реферат , добавлен 10.07.2011


Причины перехода на возобновляемые источники энергии. Возможные источники энергии. Энергия воды. Солнечная энергия. Энергия ветра. Другие источники энергии (биомасса).

реферат , добавлен 21.12.2002


Анализ возможности применения энергии солнца и ветра как совместно с традиционным источником энергии, так и автономного энергоснабжения совместного использования энергии солнца и ветра. Сравнение по более экономному использованию энергии ветра и солнца.

контрольная работа , добавлен 03.11.2013


Природные ресурсы, их рациональное использование и воспроизводство. Экономическое регулирование охраны окружающей среды. Основные виды используемой человеком энергии. Энергия термоядерного синтеза, способы ее получения. Альтернативные источники энергии.

контрольная работа , добавлен 30.04.2009


Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (солнечная, ветровая и геотермальная энергию, энергию морских приливов и волн). Их плюсы и минусы. Как может осуществляться альтернативное использование солнечной энергии при эксплуатации зданий.

реферат , добавлен 26.12.2010


Использование ветра и ветряных установок. Сооружение гигантских ветроэнергетических установок для получения энергии. Способы преобразования солнечных лучей в электрический ток. Использование и получение энергии приливных и отливных морских течений.

реферат , добавлен 09.11.2008


Источники радиоактивного загрязнения. Экологические проблемы тепловой энергетики и гидроэнергетики. Приливные электростанции и их экологическая оценка. История использования энергии ветра. Экологическая оценка использования лучистой энергии Солнца.

реферат , добавлен 02.12.2014


Понятие геотермальной энергии как энергии внутренних областей Земли. Перспективы использования геотермальных источников энергии, характеристика их преимуществ. Развитие и совершенствование геотермальных технологий. Экологические фонды: назначение, виды.

реферат , добавлен 15.01.2014


Вклад теплоэнергетики в загрязнение атмосферы. Использование теплонасосной установки как альтернативного экологически чистого источника энергии в системах теплоснабжения жилых, общественных и производственных зданий. Применение нетрадиционной энергетики.

реферат , добавлен 26.09.2016


Дом как важнейший символ земного существования. Формирование массового движения в защиту природы. Основные виды экологических домов. Проекты энергоэффективных домов. Возобновляемые источники энергии. Фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии.

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.

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.