Конспект лекций по дисциплине гидросиловые установки и возобновляющиеся источники энергии для студентов, обучающихся по специальности
 Скачать 6.68 Mb.
|
|
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ кафедра использования водной энергии В.В. Волшаник КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙпо дисциплине «ГИДРОСИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ И ВОЗОБНОВЛЯЮЩИЕСЯ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ» для студентов, обучающихся по специальности «Комплексное использование и охрана водных ресурсов» Москва 2009 Раздел 1. Роль гидроэнергии и других возобновляющихся источников энергии в современной электроэнергетике Лекция 1. Современная энергетика и электроэнергетика. – Виды энергетических установок. – Основные производители электрической энергии, их технологические особенности. – Особенности современного электропотребления. – Основные достоинства и недостаток электрической энергии. – Необходимость регулирования производимой мощности в соответствии с графиком электропотребления. – Понятие о графике суточной нагрузки электроэнергетической системы и его изменении в течение длительных периодов времени. – Роль речных водохранилищных гидроэлектростанций и гидроаккумулирующих электростанций в качестве регулятора электроэнергетических систем 1.1. Современное состояние и перспективы развития мировой энергетики Энергетика является основой, фундаментом современной человеческой цивилизации. Энергетическое могущество, способность преобразовывать первичные источники энергии возвышает человека над всеми другими живыми созданиями. Открытие электричества и разведывание крупных месторождений нефти породили техническую революцию 20-го века. Распространение электрической энергии повысило энерговооруженность труда и обусловило появление информационных систем, определяющих образ жизни всех людей. Электроэнергия является вторичным источником энергии. Имеющаяся в природе первичная электроэнергия (электризация отдельных предметов, атмосферные электрические разряды, электрический потенциал некоторых видов животных) не используется ввиду ее эпизодичности, небольших запасов и непреодолимых технических трудностей. Во вторичном виде электроэнергия используется необычайно широко и разнообразно. Формирование современного "электрического" мира обусловлено громадными техническими достоинствами электроэнергии:
Электроэнергия наряду с продуктами переработки нефти продолжает оставаться наиболее распространенным из всех видов потребляемой энергии, так как имеет такие уникальные качества, которые в целом отсутствуют у любых других видов энергии (механической, тепловой, химической и др.). Электроэнергетика является материальной основой существования и развития современной технической цивилизации. Без электроэнергии невозможно себе представить существование нашего быта, промышленности, транспорта, сельского хозяйства, науки, культуры. Практически единственный, однако весьма серьезный недостаток электрической энергии заключается в том, что ее, в ее непосредственном виде, нельзя накапливать в крупных промышленных масштабах, поэтому в данный момент времени электроэнергии должно производиться столько, сколько ее потребляется, иначе система "производитель электроэнергии – потребитель энергии" выйдет из строя, и очень серьезные примеры этого были в мировой электроэнергетике. Именно последним обстоятельством и объясняется громадная, не имеющая альтернативы роль гидроэлектростанций в электроэнергетических системах, являющихся основой существования современного индустриального общества. Производство и использование электроэнергии должно предусматривать создание электроэнергетической системы (ЭЭС), состоящей из трех компонентов: "производителя электроэнергии — линии электропередачи (транспорта электроэнергии) — потребителя электроэнергии". Поскольку природные графики прихода возобновляющихся источников энергии не соответствуют графикам потребления электроэнергии, в любой электроэнергетической системе должен иметься регулятор (лучше — аккумулятор) мощности, способный обеспечить соответствие производства электроэнергии ее потреблению. Традиционные гидроэлектростанции, утилизирующие энергию речных потоков, являются наиболее эффективными регуляторами производимой электрической мощности, поэтому наиболее целесообразным путем широкого использования возобновляющихся источников энергии для производства электроэнергии является создание комплексных электростанций на базе гидроэлектростанций. Суммарное энергопотребление удваивается каждые 20 лет, а потребление нефти и электроэнергии — 10-12 лет. Такой рост объясняется возрастанием энергонасыщенности производства и коммунального хозяйства, резким увеличением численности населения земного шара, рис. 1.1  Рис. 1.1. Численность населения Земли по данным газетных публикаций  Рис. 1.2. Мировое потребление органических ресурсов Мировой спрос на электроэнергию будет расти в ближайшее десятилетие за счет роста населения в развивающихся странах. После 2020 г. возможно обострение проблем энергоснабжения, особенно при увеличении глобального энергоспроса и недостаточно активном развитии альтернативных энергоисточников. Энергетика может быть разделена на три подотрасли, связанные с целью использования первичных источников энергии — энергетика транспортная (транспортные энергетические установки), тепловая (тепловые энергетические установки) и электрическая (электрические энергетические установки). Лекция 2. Понятие о возобновляющихся и невозобновляющихся, добавляющих и недобавляющих источниках энергии. – Экологические проблемы, связанные с использованием добавляющих энергоисточников, понятие о парниковом эффекте и тепловом загрязнении атмосферы. Неизбежность перехода в ближайшем будущем к преимущественному использованию недобавляющих возобновляющихся источников Мощности и энергии, которые человек научился получать искусственным путем, стали соизмеримыми с мощностями и энергиями природы, действующими на нашу планету. Поэтому понятие энергетики уже нельзя ограничить только рамками искусственных систем, необходимо учитывать теснейшее взаимодействие искусственных систем с естественными системами природы. Сейчас во всем мире ежегодно добывается первичных энергетических ресурсов, эквивалентных (90-100)∙1012 кВт∙ч. Они расходуются для производства электроэнергии (до 15% используемых ресурсов), производства тепла и транспортных энергоустановок. При этом работа 70% электрогенерирующих установок и большинства тепловых и транспортных установок основана на сжигании ископаемых топлив — угля, нефти, газа — так называемых невозобновляющихся источников энергии. Органическое и атомное (частично) топливо обладают, в отношении их использования, определенной универсальностью — они могут быть перемещаемы в первичном виде практически в любых объемах на практически любые расстояния. Это свойство делает возможным применение органического и атомного топлива во всех трех перечисленных подотраслях энергетики, и прежде всего в транспортных энергетических установках, на приведение в действие которых расходуется до половины всех используемых на земле первичных источников энергии. Последние десятилетия интенсивного развития энергетики выявили две стремительно усугубляющиеся глобальные экологические и стратегические проблемы. Первая, связанная преимущественно с атмосферой, обусловлена ее интенсивным химическим и тепловым загрязнением, связанным именно с сжиганием органического топлива. При этом в атмосферу выбрасываются миллионы тонн химических веществ, в течение длительного времени остающихся в ней в качестве загрязнителей и регулярно выпадающих на землю в виде сажи и так называемых "кислотных дождей". Сжигание органического топлива означает вовлечение в энергетический оборот источников, которые в своем естественном состоянии не оказывают влияния на энергетический баланс планеты. Поэтому, с точки зрения теплового воздействия на атмосферу, все используемые первичные источники энергии разделяются на добавляющие (невозобновляющиеся) и недобавляющие (возобновляющиеся). К первым относятся уголь, нефть, газ, торф, а частично и атомное топливо. Ко вторым — традиционная энергия речных потоков и энергии солнечного излучения, ветра, ветровых волн, приливов и т. п. Потепление климата, зафиксированное в последние десятилетия, обусловлено действием двух факторов. Первый назван "парниковым эффектом" и заключается в том, что часть газов, образующихся при сгорании органического топлива, поднимается в атмосферу на высоту нескольких километров и, изменяя пропускную способность атмосферы в некоторых частях светового спектра, задерживает в приземных слоях атмосферы дополнительное тепло, которое ранее беспрепятственно улетучивалось в космическое пространство. Другой фактор связан с неизбежным выбросом в атмосферу при сжигании органического топлива так называемого "добавочного" тепла, количество которого при современных гигантских масштабах энергетики, начинает составлять все более заметную долю от суммарной солнечной энергии, поступающей на Землю и определяющей климат планеты. Ясна необходимость перехода в ближайшем будущем от ископаемых, невозобновляющихся источников энергии — нефти, газа, угля и в определенной степени радиоактивного топлива, — к источникам более высокого экологического качества, то есть возобновляющимся. Важнейшей их особенностью является то, что они и в своем естественном состоянии принимают участие в энергетическом (тепловом) балансе планеты, и поэтому их использование человеком не приведет к изменению этого баланса, что позволит поднять уровень потребления энергии до любых значений. Стратегическая проблема современной энергетики связана также с фактором истощения в близком будущем запасов органического топлива на Земле, что вполне естественно, ибо все невозобновляющееся должно приходить к истощению, а именно такими и являются запасы угля, нефти и газа, образовавшиеся на Земли в течение сотен миллионов лет назад в результате активной органической жизни. Теперь мы эти запасы интенсивно извлекаем и сжигаем, и нет никаких сомнений в том, что все запасы будут использованы. Истощение органических ископаемых произойдет уже довольно рано: при сегодняшних темпах потребления запасы нефти иссякнут примерно через 40-45 лет, запасы газа через 30 лет (табл. 2.1). После истощения запасов нефти в жидкое топливо начнут перерабатывать уголь, и тогда количество его запасов начнет снижаться еще более быстрыми темпами. Скорее всего, уже в середине текущего века уголь будет единственным ископаемым топливом, которое будет иметься в достаточном количестве за его пределами. Таким образом, и в этом отношении необходим поиск путей перехода к новым источникам энергии, способным на длительный период обеспечить растущие потребности человечества. Ресурсов возобновляющихся источников энергии достаточно, чтобы удовлетворить потребности человечества сегодня и в отдаленной перспективе. Масштабы использования возобновляющихся источников не ограничиваются проблемой парникового эффекта или теплового загрязнения атмосферы, хотя и с их использованием связаны некоторые экологические проблемы. Таблица 2.1 Мировые ресурсы и сроки истощения органических ресурсов
Возобновляющиеся источники энергии — солнце, ветер, гидроэнергия, частично биомасса, другие источники, не обладают свойством транспортабельности, поэтому они должны перерабатываться на месте их происхождения в другие виды энергии, которые могут быть перемещены и использованы в других местах, где это более удобно человеку. Вторичных видов энергии, которые могут быть произведены в промышленных масштабах, два — это электрическая энергия и энергия сжатого водорода (так называемая "водородная энергетика"). Промышленные масштабы производства электроэнергии в мире (на выработку электроэнергии сегодня расходуется около 15% всех добываемых первичных источников энергии) весьма велики, а ее роль в жизни современного человеческого общества неоценима. Лекция 3. Основы классификации энергоисточников на Земле. – Основные виды возобновляющихся энергоисточников: солнечная, ветровая, гидравлическая, геотермальная, энергия биомассы. – Технологии их использования и энергетические потенциалы. – Технологические, социальные и экологические аспекты использования Складывающаяся обстановка с мировыми запасами органического топлива, и особенно газа и нефти, должна побуждать развитие других источников получения электроэнергии, где их доля может быть весьма существенной — ядерной энергетики и гидроэнергетики. Прогноз ЮНЕСКО до 2025 года предполагает, что тенденцию к росту будут иметь только природный газ и возобновляющиеся источники энергии (рис. 3.1). Но поскольку запасы газа быстро истощаются, альтернативой ископаемым энергоносителям остаются только последние. Перевод электроэнергетики на широкое использование атомной энергии позволяет решить проблему загрязняющих атмосферу выбросов и углекислого газа, однако проблема теплового загрязнения остается. Кроме того, массовое строительство АЭС поставило не решенную пока проблему использования или захоронения радиоактивных отходов.  Рис. 3.1. Прогноз годового мирового использования первичных невозобновляющихся энергоресурсов; 1 — нефть; 2 — уголь; 3 — газ; 4 — ядерные ресурсы; 5 — возобновляющиеся энергоисточники К возобновляющимся источникам энергии, помимо широко используемой гидравлической энергии рек, относятся энергия солнечного излучения, ветра, морских приливов; а также нетрадиционные источники — энергия ветровых волн, температурного градиента вод в океанах, течений, биомассы и других явлений. Нетрадиционные источники гидравлической энергии, как правило, обладают низкой концентрацией, или плотностью, поэтому установки, в которых используются эти источники, характеризуются большими размерами, высокими материалоемкостью и удельной стоимостью. Ряд технических затруднений вызван постоянным контактом рабочих поверхностей с морской водой, большими штормовыми нагрузками, сложностью передачи электроэнергии на берег. Вместе с тем, технические способы производства электроэнергии с использованием нетрадиционных источников достаточно просты, не связаны с решением сложных, принципиально новых научных проблем и инженерных разработок, и это позволяет ожидать, что они будут широко вовлечены в энергобаланс многих стран. В основе всех возобновляющихся источников энергии, за исключением геотермальной и приливной, лежит солнечная энергия. Энергетической мерой ее служит солнечная постоянная, которая на внешней границе атмосферы имеет значение 1,38 кВт/м2. Ослабляясь земной атмосферой, поток солнечной энергии на поверхности Земли составляет 0,5-1,0 кВт/м2. Эта низкая плотность потока энергии подвержена еще и суточным, сезонным и погодным колебаниям, что затрудняет ее повсеместное практическое использование. Проблема формирования определяющих тенденций развития современной мировой энергетики заключается не в отсутствии технологий, а в нежелании принимать необходимые решения, диктуемые критической ситуацией в мировой энергетике. Нефть, газ и уголь сегодня позволяют успешно удовлетворять все потребности в энергии, и это действует усыпляюще на волю энергетиков. Многим остаются непонятны опаснейшие проблемы загрязнения окружающей среды при сжигании органического топлива, в том числе отмеченная мировым сообществом проблема загрязнения парниковыми газами, и менее "продвинутая" проблема теплового загрязнения, каждая из которых готова внести свою лепту в катастрофу глобального потепления климата. Если до момента реального взлета цен на органическое топливо, вызванным осознанием факта истощения запасов нефти и газа, не будет принята практическая политика перехода на широкое использование энергии возобновляющихся источников, нас ждут серьезнейшие энергетические испытания, тяжесть которых даже трудно предвидеть. Будущая мировая энергетика может основываться только на преимущественном использовании возобновляющихся источников энергии. Развитие энергетики возобновляющихся источников за последние 15-20 лет происходит по очень оптимистичному сценарию с постоянным возрастанием установленной мощности и доли в топливно-энергетическом балансе. В 2005 г. доля использования ВИЭ в электроэнергетике составила около 18,5% (вместе с большой гидроэнергетикой). Динамика изменения доли использования различных источников энергии при производстве электроэнергии приведена в табл. 3.1 и на рис. 3.1. Таблица 3.1 Динамика производства электрической энергии в мире за счет различных видов топлива в % от общего производства
Источник: IEA statistics, 2007 Edition  Рис. 3.1. Динамика мирового производства электроэнергии различными видами топлива с 1971 по 2005 гг.  Рис. 3.2. Изменение объема инвестиций в энергетику возобновляемых источников Имеет место значительный ежегодный прирост установленной мощности электростанций на основе возобновляющихся источников. Общая мощность составляет 240 ГВт (и более 1000 ГВт вместе с большой гидроэнергетикой), что составляет свыше 25% от установленной мощности электростанций в мире (всего в мире общая мощность электростанций около 4300 ГВт). В мире насчитывается около 25 млн. населенных пунктов, полностью обеспечиваемых установками на базе ВИЭ.  Рис. 3.3. Темпы рост мощности ЭС на ВИЭ  * Геотермальная, солнечная, ветровая, волновая, приливная, др. Источник: Международное энергетическое агентство (IEA) Рис. 3.4. Доля ВИЭ в мировом производстве электроэнергии (2005 г.) В России развитие ВИЭ происходит очень скромными темпами. Наша страна серьезно отстает как по объемам ввода, так и по технологиям преобразования различных видов возобновляемой энергии. Таблица 3.2 Выработка электрической энергии в России на базе возобновляющихся источников энергии, млн. кВт∙ч/г
Таблица 3.3 Производство тепловой энергии в России на базе ВИЭ, тыс. Гкал
По данным Безруких П.П. Таблица 3.4 Мировой рост ВИЭ (прогноз)
Источник: World Energy Outlook 2006, OECD/IEA 2006. Таблица 3.5 Производство энергии с помощью установок ВИЭ в России
 Рис. 3.5. Развитие гидроэнергетики России Производство электроэнергии на электростанциях, использующих возобновляющиеся источники энергии — солнце, ветер, приливы, в меньшей степени биомассу, происходит в соответствии с особенностями "прихода" этой энергии, иногда существенно отличающимися от графиков потребления электроэнергии в ЭЭС. Приспособление мощности этих электростанций к графику потребления наиболее эффективно может осуществляться крупными гидрэнергетическими установками — ГЭС и ГАЭС, обладающими уникальными регулирующими возможностями и способностью повышения надежности электроснабжения. Гидроэнергетика как отрасль энергетики зародилась в конце 19 века, но получила мощное развитие в 20 веке, когда произошло основное приращение мощности. Поэтому из всех возобновляющихся источников гидравлическая энергия используется особенно широко. Общая установленная мощность ГЭС в мире (на конец 2005 г.) достигла более 836 ГВт (без учета малых ГЭС) и они вырабатывают около 2994 ТВт∙ч/год, что составляет более 16% от мирового технического потенциала гидравлической энергии. Суммарная установленная мощность крупных ГЭС России составляет 46,1 ГВт, с годовой выработкой около 169,7 млрд. кВт∙ч. Отсутствие необходимости в топливе и более простая технология выработки электроэнергии приводят к тому, что затраты труда на единицу мощности на ГЭС почти в 10 раз меньше, чем на тепловых электростанциях (с учетом добычи топлива и его транспортировки). По прогнозу МИРЭК к 2020 г. выработка электроэнергии на ГЭС должна удвоиться. Использование экономического гидропотенциала в западных странах составляет от 45 до 90%, в среднем по России это значение составило в 2000 г. 22,9%, а на Дальнем Востоке — менее 4%. В регистре СИГБ зарегистрировано около 45 тыс. крупных плотин мира, и все они выполняют возложенные на них функции. Они имеют общий объем водохранилищ 6000 км3, а это в 3,5 раза превышает объем пресной воды всех рек и является неотъемлемой частью созданной гидроэнергетиками инфраструктуры нашей искусственной базы для выживания. Это создает множество незаменимых благ, которые сегодня, когда электростанции построены, воспринимаются как должное. Во всем мире забирается из этих источников пресной воды каждый год более 3500 км3, и этот объем постоянно увеличивается. Нетрудно себе представить, что, не создавая новых плотин, водохранилищ, можно остаться без воды или сильно ограничить ее потребление. Экономический потенциал гидроэнергетики России определен без учета малых рек в размере 850 млрд. кВт∙ч и, если все строящиеся сегодня ГЭС в России будут введены в эксплуатацию, неиспользованный потенциал в гидроэнергетике составит более 650 млрд. кВт∙ч. Нет ни одной страны в мире, где бы так прохладно относились к гидроэнергетике. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||