Авторизация
Наша группа Вконтакте
Наши партнеры
КРЫМ. СТРОЙИНДУСТРИЯ. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ВЕСНА — 2016

Перспективы развития промышленной электроэнергетики

Одним из наиболее востребованных видов энергии является электроэнергия. Она легко преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, с её помощью получают холод). Электроэнергия экологически чистая, относительно безопасна, легко передается на большие расстояния. Промышленное производство электроэнергии осуществляется путем преобразования самых разнообразных видов энергии (топливной, гидравлической, атомной, ветровой, солнечной, геотермальной) в механическую, которая в электрогенераторах преобразуется в электрическую.

Несмотря на современные достижения технического прогресса, человечество с каждым годом все острее ощущает недостаток энергии вообще и электроэнергии в частности. Рост потребления электроэнергии объясняется постоянным увеличением численности населения на Земле и повышением запросов людей. Неуклонно растет количество бытовой электротехники – холодильников, кондиционеров, стиральных и посудомоечных машин, телевизоров, мобильных телефонов и смартфонов и много других изделий. С целью сокращения вредных выбросов от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) наметилась тенденция их замены на электромобили, для зарядки которых потребуется ещё больше электроэнергии.

С другой стороны потребление электроэнергии значительно меняется как в течение суток (максимальное – в утренние часы, минимальное – в ночное время), так и в зависимости от времен года (зимой – увеличивается, летом – уменьшается). При наличии многих положительных свойств электрическая энергия имеет один существенный недостаток – не найден способ, как запасать и хранить её в больших количествах, необходимых для промышленной электроэнергетики. Поэтому, чтобы обеспечить надежное электроснабжение приходится создавать энергетические мощности в расчете на максимальное потребление, тогда как в остальное время эти мощности остаются не востребованными. Максимальное потребление может превышать минимальное в 3 – 5 раз. К тому же многие источники энергии (ветряная, солнечная, гидроприливная) весьма нестабильны во времени, хотя они наиболее предпочтительны с точки зрения экологии и ресурсов (они практически неиссякаемые, по крайней мере, на всё предсказуемое время существования человечества). Из-за такого неравномерного производства и потребления электроэнергии возникает весьма актуальная задача её преобразования в другие виды энергии с целью накопления, хранения и последующего обратного преобразования в электрическую.

Известны разные способы накопления и хранения энергии. В небольших количествах, для лабораторных целей, электроэнергия может храниться в электрических конденсаторах. В промышленной энергетике применяются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), которые используют избыточную сетевую электроэнергию в ночное время для привода водяных насосов, перекачивающих воду не верхний уровень плотины. В утренние часы, когда наблюдается пик потребления электроэнергии, вода сбрасывается вниз на гидротурбины, приводящие в действие электрогенераторы. Эффективность ГАЭС достаточно высока, но для их строительства требуются большие капитальные вложения, наличие водоёма и наличие перепада высот рельефа местности. Из-за этого количество действующих ГАЭС незначительно. В России таких только три.

Более широко применяются электрохимические аккумуляторы. В процессе зарядки аккумулятора электрическая энергия преобразуется в химическую и в таком виде может длительно сохраняться. Для обратного преобразования достаточно соединить разноименные электроды аккумулятора проводником. К сожалению, и у этого способа накопления электроэнергии есть существенный недостаток – малая удельная массовая энергоемкость. Серийный аккумулятор, способный накопить 1 кВт•ч энергии, весит примерно 20 кг. Для того чтобы сохранить энергию, вырабатываемую одним современным турбогенератором мощностью 1200 МВт за 10 ч (43200 кВт•ч), потребовались бы аккумуляторы общим весом 864 т. Для их изготовления используются достаточно дорогие и редкие металлы (Pb, Ni, Li и др.), запасы которых ограничены. Поэтому даже с учетом новейших достижений в области нанотехнологий, электрохимические аккумуляторы не пригодны для массового применения в промышленной электроэнергетике. Такие аккумуляторы применяются в основном на легковых автомобилях (см. «Журнал автомобильных инженеров» № 3 (50) 2008, стр. 38-41).

В последние десятилетия ведутся научно-исследовательские работы в области водородной энергетики (см. патент № 2179120 RU "Система экологической чистой водородной энергетики для транспортных средств и электромобильного транспорта"). В США и в Японии уже начато промышленное производство автомобилей, работающих на водородном топливе. Эта система предусматривает производство водорода путем электролиза воды, строительство атомных электростанций, создание инфраструктуры для хранения, транспортирования и заправки автомобилей водородом и последующую регенерацию электроэнергии на автомобиле с помощью двигателя внутреннего сгорания или топливных элементов. У этой системы очень сомнительная перспектива. Её низкую эффективность можно образно охарактеризовать, перефразируя известную поговорку: «носить водород в решете», подвергая себя ещё и опасности взрыва и пожара.

Наиболее распространенным способом сглаживания несоответствия производства и потребления электроэнергии является объединение электростанций, расположенных в удаленных друг от друга часовых поясах, в единую сеть и перераспределение электроэнергии по высоковольтным линиям передач. Строительство таких линий электропередач (ЛЭП), протяженностью на многие тысячи километров, требует огромных капитальных и эксплуатационных затрат и длится многие годы. Из-за большой протяженности ЛЭП в них достаточно значительны потери энергии. Кроме того они не достаточно надежны из-за подверженности ураганным ветрам, ледяным дождям, оползням и другим стихийным бедствиям и, как следствия, падениям опорных мачт, обрывам проводов, коротким замыканиям и пожарам на трансформаторных подстанциях, а иногда и в прилегающих лесах.

Недавно в интернете опубликована статья Павла Андреевича Публиченко «Испытано промышленное хранение энергии в жидком воздухе» о высокоэффективном способе аккумулирования энергии с использованием жидкого азота. В ней сообщается, что инженеры британской компании Highview Power Storage в течение последних девяти месяцев проводили первую фазу испытаний пилотной установки Cryo Energy System (CES). Базовый принцип действия CES очень прост и давно известен как «тепловой насос», выкачивающий тепло из окружающей среды для нагрева более холодного рабочего тела – в данном случае для нагрева жидкого азота, имеющего температуру минус 196 °С, примерно до 0 °С. При сжижении азота у него отнимается примерно 380 кДж/кг или 0,1 кВт*ч/кг, которое он теоретически может вернуть при возвращении в исходное состояние. Следовательно жидкий азот может применяться в качестве аккумулятора и источника энергии путем конверсии холода в тепловую энергию. На этом принципе система CES призвана помогать обычной электростанции во время пиков энергопотребления, сглаживая нагрузку на основное оборудование. Когда в сети идёт спад потребления, лишняя электроэнергия используется для привода компрессора, сжимающего воздух, с последующим его охлаждением и сжижением азота. Жидкий азот сливается в теплоизолированную криоёмкость для хранения. Когда потребность электроэнергии возрастает, жидкий азот из криоёмкости подают под давлением в радиатор, где он испаряется, расширяясь в 700 раз, и подогревается теплом окружающей среды. Далее всё происходит как в обычной тепловой станции — находящийся под давлением газообразный азот подают на турбину (детандер), которая приводит в действие электрогенератор. Простой и эффективный способ сжижения и разделения воздуха на азот и кислород разработал в 1939 году советский лауреат Нобелевской премии по физике Петр Леонидович Капица. С тех пор жидкий азот и кислород широко применяют в химической и металлургической промышленности, в медицине и других отраслях науки и техники. Разработаны стационарные и мобильные установки для сжижения и разделения воздуха, а также специальные криоёмкости для хранения и транспортировки этих газов. Например, установка А-8-1 для сжижения и разделения воздуха (см. каталог «Криогенное оборудование», издание второе, исправленное и дополненное ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ 1980, стр. 16-17) потребляет мощность около 2МВт, что сопоставимо с мощностью турбин ТЭЦ, ГЭС, АЭС и современной ветряной энергоустановки. За 10 часов установка А-8-1 способна выработать 85000 м3 газообразного азота, 1000 м3 газообразного кислорода высокого давления (21,6 МПа) и 1200 кг жидкого азота. Используя газообразный кислород высокого давления для привода компрессора, можно увеличить его производительность и соответственно выработку сжиженного азота при меньших удельных затратах мощности. Удельный расход энергии на производство жидкого азота сегодня составляет 0,5 – 1,0 кВт*ч/кг. Ещё большей эффективности можно достичь, если изначально в качестве охладителя отработавшего водяного пара и продуктов сгорания топлива на ТЭЦ и АЭС применять жидкий азот. В этом случае температуру азота перед детандером можно довести до 500 °С и увеличить его удельную энергию со 100 Вт*ч/кг до 220 Вт*ч/кг. Воздух, содержащий около 76 % азота и 23 % кислорода, имеется в любой точке земли, поэтому установки CES могут быть включены в состав любой вновь строящейся или действующей электростанции. В России такие криосистемы называются Комплексными энергетическими станциями (КЭС), поскольку их возможности и назначение не ограничивается только аккумулированием энергии. КЭС способна увеличить КПД и мощность электростанции, вырабатывать жидкий азот и кислород для внешнего потребления, а также холод и пресную воду без дополнительного расхода топлива, повышать пожарную безопасность. Для выполнения этих дополнительных функций обмотки трансформаторов и статоров электрогенераторов рекомендуется охлаждать жидким азотом, что снижает тепловые потери в них и исключает возникновение пожара из-за возгорания охлаждающего масла в обычных трансформаторах. Использование жидкого азота в испарителях холодильников позволяет исключить применение экологически вредных хладагентов. Пресную воду получают путем периодического оттаивания льда, намерзающего на радиаторах, через которые циркулирует холодный азот. Для оттаивания льда через радиатор вместо холодного азота временно пропускают горячий воздух из компрессора. Ещё британцы предусмотрели родственную систему — CryoGenset System (CGS). В общих чертах она работает аналогично CES, но выработка жидкого азота и кислорода и их использование тут намеренно разведены по разным промышленным объектам. Замысел таков: сжижать воздух можно в одном месте, а потом развозить его в автоцистернах по нескольким точкам. Такая перекачка энергии может показаться лишённой смысла. Но, во-первых, в целом вся система сохраняет важную роль энергетического буфера. Располагая собственной CGS, какой-нибудь завод может сам покрывать свои всплески потребления электроэнергии. А во-вторых, Cryo Genset System позволяет довольно просто утилизировать даровое тепло от промышленных установок, которое иначе просто выбрасывалось бы в атмосферу. Ну и даровой холод, производимый системой, тоже можно использовать на месте его производства или в любом другом месте, куда доставлен жидкого азота. Аналогичная идея об «экспорте холода» из северных районов России в тёплые страны по трубопроводам, также как нефть и природный газ, рассматривалась в 2011 году в газете «Аргументы и факты». Реализация этой идеи наиболее эффективна в России и в Антарктиде, где атмосферный воздух уже имеет температуру на десятки градусов ниже нуля и поэтому требуется меньше энергии для сжижения азота. К тому же в этих районах часто бывают сильные ветра, что позволяет использовать ветрогенераторы. Весьма выгодно использование солнечных и ветрогенераторов в сочетании с установками, производящими жидкий азот, на морских и речных судах. Это будет означать возрождение парусного судоходства на новом технологическом уровне. Вместо парусов на мачтах судов будут раскрываться солнечные панели и вращаться лопасти ветрогенераторов. Такие «парусники-рефрежераторы», плавая по бурным морям и океанам, будут без затрат топлива не только транспортировать грузы, в том числе и требующие охлаждения, но и вырабатывать кислород, жидкий азот и пресную воду, как во время плавания, так и во время стоянки на рейде в ожидании погрузо-разгрузочных работ. Очевидно, что по мере сокращения запасов углеводородов и ядерного топлива человечество будет вынуждено максимально использовать вечные, традиционные (ветровую, гидравлическую и солнечную) виды энергии, сберегая остатки бесценных минеральных топлив. У России есть все возможности стать лидером по производству электроэнергии и жидкого азота за счет этих неиссякаемых источников энергии, как для собственного потребления, так и для поставок на экспорт.

27.02.2013
/ В.В.Ларионов /

Рейтинг:
47
  1. Геннадий
    12 мая 2013 01:27
    Сейчас большинство людей даже не задумывается о том, что будет, если вдруг в один момент возьмет и пропадет электричество. А это банальная работа абсолютно всех систем жизнеобеспечения человечества. и тем не менее, аварии - постоянное дело, и когда-нибудь, накопленные мелкие аварии приведут к глобальному разрушению единой системы и если человечество к тому времени не придумает способ хранения электроэнергии, то будет весьма худо для всех. В таких условиях, смогут себя обеспечить только природные электростанции.

Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent
Вопрос:
От чего дают энергию солнечные батареи?
Ответ:*
Важно ваше мнение
Какая на Ваш взгляд самая перспективная технология в энергетике?