Главная   >>   Введение в энергетику

Введение в энергетику

2. ТОПЛИВНО ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС — СОСТАВ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Еще в глубокой древности человеческий род освоил огонь, изобрел лук и приручил тягловых животных, заложив этим основы антропогенной энергетики — совокупности технологий и средств извлечения и преобразования энергии, созданной человеком сначала для защиты от окружающей среды, а затем и для ее приспособления к своим нуждам. Ныне антропогенная энергетика развилась в крупную сферу человеческой деятельности, где занято не менее 10 % работающего населения Земли [1]. Современное энергетическое хозяйство включает всю совокупность предприятий, установок и сооружений, а также связывающих их хозяйственных отношений, которые обеспечивают функционирование и развитие добычи (производства) энергоресурсов и всех цепочек их преобразования до конечных установок потребителей включительно. Укрупненная схема основных цепочек преобразования энергетических ресурсов показана на рис. 2.1 [2].

В зависимости от стадии преобразования различаются:

  • первичная энергия — энергетические ресурсы, извлекаемые из окружающей среды: минеральное и растительное органическое топливо, механическая энергия воды и ветра, лучевая энергия Солнца, тепло недр Земли, руды делящихся материалов и др.;
  • подведенная энергия — энергоносители, получаемые потребителями: разные виды жидкого, твердого и газообразного топлива, электро­энергия, пар и горячая вода, разные носители механической энергии, де­лящиеся материалы и др.;
  • конечная энергия — форма энергии, непосредственно применяемая в производственных, транспортных или бытовых процессах потребителей: электронная, механическая, световая, тепло разных потенциалов, химическая, звуковая, радиационная и др.

Опираясь на введенные понятия, полезно выделить следующие составляющие энергетического хозяйства:

  • топливно-энергетический комплекс (ТЭК) — часть энергетического хозяйства от добычи (производства) энергетических ресурсов до получения энергоносителей потребителями;
  • электроэнергетика — часть ТЭК, обеспечивающая производство и распределение электроэнергии и тепла;
  • централизованное теплоснабжение — часть ТЭК, обеспечивающая производство и распределение пара и горячей воды от источников общего пользования;
  • теплофикация — часть электроэнергетики и централизованного теплоснабжения, обеспечивающая комбинированное производство элек-троэнергии, пара и горячей воды на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) и магистральный транспорт тепла.

Состояние энергетического хозяйства и возможные перспективы его развития характеризуются многоуровневой системой [топливно]-энергетических балансов, обеспечивающих для рассматриваемого объекта (мира, страны, региона, отрасли, предприятия, цеха, установки и т.д.) согласование прихода и расхода всех видов энергии по всем фазам ее преобразования в границах данного объекта.

При разработке энергетических балансов на каждой фазе преобразования энергии в обязательном порядке учитываются коэффициенты полезного действия (КПД) энергетических установок — исчисленное в одних единицах измерения отношение отпущенной энергии к подведенной. В электроэнергетике наиболее информативны КПД электростанций, которые в настоящее время составляют в России 0,9—0,97 для гидроэлектро­станций (ГЭС), от 0,5 до 0,75 для ТЭЦ, от 0,33 до 0,42 для тепловых конденсационных электростанций (КЭС) и 0,28—0,33 для атомных электростанций (АЭС).

Произведение коэффициентов полезного действия по всем цепочкам преобразования энергии от первичных источников до ее утилизации потребителями дает коэффициент полезного использования (КПИ) энергии, равный также отношению конечной энергии к первичной. По последним из выполнявшихся в стране расчетов [1, 3] в середине 80-х годов КПИ энергетического хозяйства СССР составлял 0,37—0,4.

Если определить коэффициент извлечения энергии как отношение извлеченных первичных энергоресурсов к их содержанию в природной среде в местах разработки (в настоящее время в зависимости от вида энергоресурса он составляет от 0,2 до 0,4), то общий коэффициент использования природных энергетических ресурсов оценивается произведением (0,37—0,4) · (0,2—0,4) и находится в диапазоне от 0,1 до 0,15. Это показывает, что могучая антропогенная энергетика и в настоящее время расходует энергетические ресурсы планеты с эффективностью костра первобытного человека. Радикальное изменение такого положения путем кратного повышения коэффициента использования природных энергоресурсов является необходимым условием не только устойчивого развития, но и просто выживания человеческого общества.

А масштабы антропогенной энергетики действительно впечатляющие [4]. К началу третьего тысячелетия добыча (производство) первичных энергоресурсов в мире вплотную приблизилась к 10 млрд т нефтяного эк­вивалента, что составляет свыше 14 млрд т условного топлива. И хотя это менее 0,3 % энергии, затрачиваемой на поддержание всех видов жизнедеятельности (включая фотосинтез растений) на планете, сама сопоставимость порядков этих величин свидетельствует о гигантском росте энергетической оснащенности человечества. Сравнение же среднемировой энерговооруженности человека (2,35 т у.т.) с его собственной годовой работоспособностью (0,05 т у.т.) показывает, что каждого жителя планеты сегодня «обслуживает» в среднем 47 невидимых работников, в России это соотношение равно 120, а в некоторых странах превышает 250.

В конце 80-х годов СССР был крупнейшим в мире производителем и экспортером энергоресурсов. С распадом СССР в России оказалось при­мерно две трети его ТЭК, а кризисный переход к рыночной экономике вдвое сократил промышленное производство, на 40 % уменьшил валовой внутренний продукт России и на четверть — производство первичных энергоресурсов (рис. 2.2).

В результате в 1999 г. российский ТЭК отошел на второе место в мире по экспорту топлива (после Саудовской Аравии), на третье место по производству первичных энергоресурсов и на четвертое место по их внутреннему потреблению (рис. 2.3). Начавшийся подъем экономики сопровождается ростом производства и потребления энергоресурсов, но в обозримой перспективе это не изменит места России в мировой энергетике и ее доли в производстве энергоресурсов, которая сохранится на уровне 10 %.

Структура энергетического хозяйства СССР начала 80-х годов показана на рис. 2.4 [3]. Почти половина (48 %) потребляемых в стране первичных энергоресурсов тогда поступала непосредственно в технологические и бытовые установки потребителей, из них 18 % расходовалось двигателями и механизмами (все виды транспортных установок, сельскохозяйственная, строительная и военная техника), 19 % шло в промышленные печи (металлургические, цементные и другие обжиговые) и 11 % сжигалось в отопительных печах и бытовых приборах. При этом потребители использовали в виде конечной энергии только четверть первичной энергии, расходуемой двигателями и промышленными печами, и немногим больше половины расхода топлива в быту, а более двух третей непосредственно расходуемых потребителями первичных энергоресурсов шло в потери.

Еще 38 % первичных энергоресурсов в стране расходовали электро­станции на выработку электроэнергии, пара и горячей воды, но 18 % из них составляли потери. Оставшиеся 14 % потребляемых страной энергоресурсов поступали в котельные для выработки пара и горячей воды, при этом 3 % этой величины безвозвратно терялись.

Таким образом, конечная энергия, непосредственно используемая потребителями, составляла около 40 % расходуемых страной первичных энергоресурсов. Как показано на рис. 2.4, из них 8 % обеспечивали все виды силовых процессов, 7 % обслуживали высокотемпературные процессы промышленности, а 25 % расходовались в средне- и низкотемпературных процессах, на три четверти связанных с обеспечением жизнедеятельности людей. Следовательно, и на современном этапе антропогенная энергетика лишь наполовину работает на производственные нужды общества, а другая его половина по-прежнему обеспечивает защиту человека от окружающей среды, его личные транспортные нужды и приготовление пищи. Важно, что эти пропорции отнюдь не вызваны холодным кли­матом России, поскольку наши повышенные расходы энергии на отопление в конце XX в. уже вполне сопоставимы с затратами энергии на кондиционирование воздуха в жарких странах.

Переходя к характеристике роли электроэнергетики в ТЭК, нужно прежде всего констатировать, что только 15 % конечной энергии (6 из 40 % на рис. 2.4) используется потребителями в виде электроэнергии. Долю электроэнергетики на основных стадиях преобразования и распределения энергоресурсов в ТЭК России иллюстрирует табл. 2.1.

* В пересчете на расход топлива электростанциями при производстве соответствующего количе­ства электроэнергии.

** Расход энергоресурсов на выработку тепла ТЭЦ.

В производстве первичных энергоресурсов электроэнергетика сейчас представлена гидроэнергетикой, а в будущем к ней добавятся нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ), из которых в России для получения электроэнергии будут использоваться в основном ветровая, геотермальная и возможно солнечная энергия. Как видно из табл. 2.1, гидроэнергетика дает в настоящее время 4 % общего производства первичных энергоресурсов в стране, а к 2020 г. даже в благоприятном сценарии ее доля вместе с НВИЭ возрастет до 4,8 %. Основное же производство первичных энергетических ресурсов в России обеспечивают в настоящее время при­родный газ (47,5 %) и нефть (32,5 %) при сокращении доли угля до 11,6 % и атомной энергии до 3 %. Энергетическая стратегия России [5, 8] провозглашает курс на диверсификацию энергетического баланса страны с уменьшением к 2020 г. доли газа до 42—44 %, нефти до 29—32 % при увеличении доли угля до 15—16 % и атомной энергии до 5,0 % (рис. 2.5).

Еще меньше роль электроэнергетики в транспорте и распределении энергоресурсов: как видно из табл. 2.1, электронный транспорт обеспечивает в пересчете на топливный эквивалент только 1,5 % общего грузообо­рота энергоресурсов и в перспективе даже при сооружении магистральных линий электропередачи (ЛЭП), в том числе постоянного тока из Сибири в европейскую часть страны, его доля не превысит 2 %. Основные транспортные потоки обслуживают газо-, нефте- и продуктопроводы, кроме того, около 15 % в настоящее время и до 20 % в перспективе приходится на железнодорожные перевозки угля.

В отличие от этого, во внутреннем потреблении первичных энергоресурсов доля электроэнергетики существенно выросла по сравнению с началом 80-х годов и составила в 2000 г. почти 41 %, в том числе 29 % собственно на выработку электроэнергии и 12 % на отпуск пара и горячей воды от ТЭЦ. К 2020 г. электроэнергетика будет расходовать почти 45 % общего потребления первичных энергоресурсов в России, причем на выработку электроэнергии будет приходиться до 32 %.

Наконец, в сумме энергоресурсов, поставляемых непосредственно потребителям (подведенная энергия), на долю электроэнергии в России приходится в настоящее время свыше 14 % и еще до 13 % дает тепло, поставляемое ТЭЦ, т. е. электроэнергетика обеспечивает в сумме до 27 % потребностей. К 2020 г. доля электроэнергетики в общей энергии, подведенной потребителям, увеличится до 31 %, в том числе собственно электроэнергии — до 17 %. Последняя цифра хорошо корреспондирует с долей электроэнергии в конечной энергии потребителей (около 15 %) и разницу между ними составляют ее потери в установках потребителей.

Несмотря на относительно скромное использование электроэнергии для удовлетворения потребностей общества в энергии, XX столетие принято называть веком электричества. Казалось бы, это странно еще и потому, что практически все теоретические разработки в области электромагнитного поля, электрического тока и электрических цепей были сделаны в XIX в. Более того, тогда же были найдены и воплощены в металле большинство базовых технических решений по генерации, трансформации, передаче и использованию электроэнергии.

И все же веком электричества стал не славный своими открытиями XIX, а именно XX век, особенно его первая половина. Но обусловлено это не экспоненциальным ростом генерирующих мощностей и выработки электроэнергии, не увеличением протяженности все более плотно покрывающих планету линий электропередачи и уже тем более не ростом вклада электроэнергетики в валовой выпуск промышленности или внутренний продукт. Все это имело место, но «электрический прорыв» произошел не столько в производственной сфере электроэнергетики (хотя ее создание с полным правом считается гордостью человечества), сколько у потребителей электроэнергии при ее использовании в производственных, транспортных и бытовых процессах.

Изменения, которые вызвало электричество в XX в. во всех сферах человеческой деятельности, возможно даже более значимы, чем первая «энергетическая революция», прошедшая в неолите при освоении человеком огня и приручении животных. Все последующие достижения — освоение энергии ветра, падающей воды, даже паровой машины — затрагивали лишь отдельные сферы человеческой деятельности. Они безусловно ускоряли общественное развитие, но по глубине и всеобщности воздействия на него даже вместе взятые несопоставимы с новыми возможностями, которые широкое использование электроэнергии (обладающей наибольшей ценностью1 из освоенных человеком энергоносителей) не только открыло, но и в значительной мере реализовало в XX в.

1 Ценность энергии определяется как логарифм произведения показателей плотности потока энергии и управляемости энергетического процесса (подробнее см. [4], раздел 1.5).

Первостепенную роль сыграла замена водяных и паровых машин с их сложнейшими системами механического привода (ременные, зубчатые передачи и т.п.) всевозможных станков и рабочих орудий на компактный индивидуальный электропривод, не имеющий практических ограничений по мощности (как сверху, так и снизу) и почти идеально регулируемый по основным режимным параметрам — мощности, скорости и т.д. Массовое применение электропривода всего за одно-два десятилетия перевернуло технологии практически всей производственной сферы, открыло возможности поточного производства, полностью изменило компоновку и экологию промышленных предприятий. Электропривод создал новые возможности на транспорте, сделав экологически приемлемыми массовые внутригородские (трамвай, метро) и пригородные (электрички) перевозки. Электропривод вызвал также огромные преобразования быта людей: создание скоростных лифтов позволило строить высокие здания и со временем полностью изменило планировку городов, а распространение невозможных без него домашних холодильников, стиральных машин и другой бытовой техники сделало малую социальную революцию, высвобождая все больше свободного времени более широким слоям населения.

Не меньшую социальную роль сыграло электроосвещение. Его повсеместное применение почти удвоило суточную норму активной деятельности человека, увеличило время для образования, культуры и развлечений без ущерба для здоровья (особенно зрения) людей.

Но электропривод, освещение, электроотопление, электроплавка и сварка металлов — это всего лишь применение электроэнергии в традиционных энергетических процессах. Подлинные же прорывы дало использование особых физических свойств новой формы энергии. Без них было бы невозможно развитие радио и телефонной связи, появление телевидения, электролиза металлов и, наконец, создание электронных вычислительных машин и всего разнообразия систем управления и информационных технологий. А это алюминиевая промышленность, автомобили и авиация, ядерные и космические технологии, современное машино- и приборостроение и многое другое, без чего нельзя представить себе цивилизацию XX в.

Как это ни странно звучит, но применение электроэнергии благотворно сказалось на экологической обстановке. Отнесение загрязняющих окружающую среду электростанций на десятки и сотни километров от экологически чистых процессов использования электроэнергии вывело основную часть хозяйственной деятельности и быта людей из-под прямого воздействия тех выбросов, которые неизбежны при сжигании органического топлива. Кроме того, замена мелких тепловых двигателей и котельных крупными электростанциями уже в силу одной только концентрации производства резко повысило их КПД, уменьшая при прочих равных условиях количество сжигаемого топлива. Наконец, очистка дымовых газов и другие природоохранные меры на крупном объекте многократно эффективнее и дешевле, чем на тысячах заменяющих его мелких загрязнителях окружающей среды. Трудно даже вообразить, как выглядела бы атмосфера современных (или модифицированных) мегаполисов, если бы их сегодняшние энергетические нужды пришлось обеспечивать, не применяя электроэнергию. Во всяком случае, отошедший в прошлое печально известный лондонский смог показался бы обитателям этих газовых камер небесным эфиром.

Свои революционизирующие функции электроэнергия выполняет не столько количеством, сколько качеством, поскольку при пересчете в единые измерения электроэнергия в настоящее время и в обозримой перспективе является самым дорогим энергоносителем. Именно поэтому, хотя к концу XX в. производство электроэнергии в мире превысило 15 трлн кВт·ч и на это было затрачено до одной трети общего мирового производства (и потребления) энергетических ресурсов, ее доля в удовлетворении конечных энергетических потребностей человечества (за вычетом потерь на преобразование и транспорт энергии) составляет, как следует из рис. 1.4, только около 15 %.

Несмотря на официозный лозунг «электрификации народного хозяйства» Россия (СССР) на протяжении всего XX в. заметно отставала по использованию электроэнергии от наиболее развитых стран. Но если, например, в 80-е годы промышленность СССР расходовала почти столько же электроэнергии, как и в США (что при гораздо меньшем выпуске продукции демонстрировало не столько успехи электрификации, сколько низкую эффективность использования энергии), то в бытовой сфере отставание было многократным. Правда, в значительной мере это объяснялось массовым применением электроэнергии для кондиционирования воздуха — недаром в США считается, что только появление кондиционеров сделало возможным процветание южных районов страны.

Поэтому реальная электрификация производственных процессов, сферы услуг и быта людей остается для России одной из самых социально значимых и экономически приоритетных задач. Но основной вклад электроэнергии в модернизацию производства должен смещаться с применения электродвигателей, «лампочки Ильича» в сферу использования ее уникальных физических свойств: развитие электроники, глобальных и локальных сис­тем связи, применение ЭВМ и всевозможных систем управления, т.е. главным образом в сферу информационных технологий. Иными словами, в новых условиях углубление электрификации неразрывно связано с развитием высоких технологий постиндустриального общества и становится необходимым условием их массового применения. Переключение с традиционных на новые области применения электроэнергии становится в наступившем веке повсеместно главным средством позитивного воздействия электро­энергетики на социально-экономическое развитие. Особое значение это имеет для России, где преодоление низкой эффективности использования электроэнергии в традиционных областях позволит интенсивно развивать их при умеренном увеличении расхода электроэнергии, а основной ее прирост должен обусловливаться развитием высоких технологий так называемой новой экономики. Только при такой перестройке сферы использования электроэнергии будет обеспечен наибольший положительный вклад электроэнергетики в возрождение России.

Вместе с тем, производственная сфера электроэнергетики представляет собой значимую часть экономики России, функционирование и развитие которой оказывает существенное влияние на темпы и пропорции экономического роста. Поэтому интегральный вклад электроэнергетики в социально-экономическое развитие страны необходимо рассматривать в контексте общей энергетической политики, как она определена в Энергетической стратегии Российской Федерации.



Только сейчас пластиковые пломбы на лучших условиях.