§ 33. Производство и потребление энергии. Профессии в сфере энергетики

В каждой квартире, в каждом доме обязательно имеется электрическая розетка, и не одна. К розетке по проводам днём и ночью подаётся электрический ток. Откуда он берётся?

Мы не раз говорили о том, какую исключительно важную роль в жизни современного общества играет электрическая энергия.

Широкое применение электроэнергии обусловлено прежде всего тем, что получение её осуществляется с помощью несложных по конструкции устройств; возможна быстрая и экономичная передача электроэнергии на большие расстояния; она легко преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую).

Рассмотрим кратко технологии производства, передачи, распределения и использования электрической энергии (рис.1).

Рис. 1. Технология производства, передачи, распределения и использования электрической энергии

Электрический ток производят на электростанциях. Основой каждой электростанции является генератор, который приводит в действие турбина. В зависимости от того, каким образом приводится во вращение турбина, различают тепловые электростанции, гидроэлектростанции, атомные, солнечные, ветровые, приливные, геотермальные электростанции и т. д.

Тип электростанции определяется видом используемых энергоресурсов. Энергоресурсы подразделяют на первичные и вторичные, возобновляемые и невозобновляемые.

Первичные энергоносители – это сырьё до проведения какой-либо технологической обработки, например каменный уголь, нефть, природный газ и урановая руда. Вторичные энергоносители – это продукты переработки первичных, например бензин, мазут, ядерное топливо.

Энергоресурсы, которые могут относительно быстро восстановиться в природе, называются возобновляемыми. К ним относятся дрова, камыш, торф и прочие виды биотоплива, гидропотенциал рек. Ресурсы, не обладающие таким качеством, называются невозобновляемыми. По большей части невозобновляемые ресурсы являются полезными ископаемыми, это уголь, сырая нефть, природный газ, нефтеносный сланец, урановая руда. Энергия Солнца, ветра, морских приливов относится к неисчерпаемым возобновляемым энергетическим ресурсам.

Основным типом электрических станций в России являются тепловые (ТЭС). На них вырабатывается около 80% электрической энергии.

Тепловая электрическая станция имеет три основных элемента: паровой котёл, паровую турбину и генератор электрической энергии (рис.  2). В топку котла подаётся топливо (уголь, природный газ, мазут), где при его сгорании вода нагревается до кипения и превращается в пар. Пар из котла под давлением подаётся на лопасти паровой турбины и приводит во вращение её ротор. Таким образом, энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, которая преобразуется в механическую энергию вращения турбины. Механическая энергия ротора турбины посредством вала передаётся электрическому генератору, где и превращается в электрическую энергию. Все эти энергетические преобразования происходят со значительными потерями, и коэффициент полезного действия тепловой электростанции равен примерно 40%. В целях повышения КПД тепловых электрических станций осуществляют предварительный отбор пара в турбинах для снабжения потребителей горячей водой. Это даёт возможность повысить общий КПД тепловой электростанции до 60%. Такие станции называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Рис. 2. Тепловая электростанция

Гидроэлектрические станции (ГЭС) строят на реках (рис. 3).

Для их работы необходима разность уровней водного потока, что обычно достигается созданием плотины и водохранилища.

Рис. 3. Гидроэлектростанция

Гидроэлектростанция имеет три основных элемента: плотину, гидравлическую турбину, электрический генератор с вертикальным валом. Вода с верхнего уровня по каналу поступает на лопатки ротора турбины и приводит его во вращение. При этом кинетическая энергия водного потока в турбине преобразуется в механическую энергию ротора турбины, которая и передаётся электрическому генератору вертикальным валом.

Атомные электростанции (АЭС) относятся также к тепловым электрическим станциям (рис. 4), но у них паровой котёл заменён атомным реактором. Источником первичной энергии в реакторе является ядерная энергия, освобождаемая при делении ядер урана. Теплота, выделяемая в активной зоне реактора теплоносителем (вода, газ или жидкий металл), по трубопроводу передаётся в парогенератор. Циркуляция теплоносителя обеспечивается насосом. В парогенераторе теплоноситель омывает трубы змеевика, в котором вода нагревается и превращается в пар. Пар по трубе поступает в турбину, которая вращает ротор генератора.

Рис. 4. Атомная электростанция

Все перечисленные электрические станции в процессе производства электрической энергии отрицательно влияют на окружающую среду, хотя и в разной степени. Тепловые электрические станции при сжигании топлива выбрасывают в атмосферу вредные продукты сгорания топлива (оксиды углерода, серы, азота), которые пагубно действуют на животный и растительный мир и могут являться причиной кислотных дождей, которые уничтожают урожаи. При этом в атмосферу выбрасывается двуокись углерода, что приводит к усилению парникового эффекта и изменению климата на Земле.

Кроме того, 60% первичной энергии топлива превращается в теплоту и рассеивается в окружающем пространстве.

Атомные электрические станции не имеют газовых выбросов, но несут в себе опасность возможности утечки радиоактивных веществ и повышения радиоактивного фона в окружающей среде. Большие трудности возникают с захоронением отработанного топлива. Особенно опасны аварии на атомных электрических станциях. Тепловые же выбросы у этих станций аналогичны выбросам станций на органическом горючем (угле, торфе и т. д.).

На гидроэлектростанциях преобразование первичной энергии в электрическую не оказывает вредного воздействия на воздушную среду. Но создание плотин ведёт к обширному затоплению лучших пойменных земель, и тем самым наносится огромный вред сельскому хозяйству. Строительство плотин нарушает проход рыбы на нерест и ведёт к сокращению рыбных богатств, а создание водохранилищ перед плотинами нарушает микроклимат в прилегающем районе.

Экологически чистыми можно считать солнечные преобразователи энергии, в которых солнечная энергия непосредственно превращается в электрическую. Но, к сожалению, эти станции пока имеют экспериментальный характер.

Ещё одна проблема, которая возникает при работе электростанций, — истощение природных ресурсов. Человечество работает над тем, чтобы отказаться от электростанций, работающих на невозобновляемых ресурсах, таких как уголь, нефть и другие виды топлива, и использовать электростанции на возобновляемых ресурсах: солнечной энергии, энергии ветра, геотермальных источников, приливов и т. п.

Электроэнергию, выработанную на электростанции, необходимо передать потребителю. Вам хорошо известно, что электрическая энергия поступает к потребителям по проводам линий электропередачи или по кабелю. Передаётся электрическая энергия на большие расстояния при высоком напряжении, в десятки тысяч раз превышающем напряжение у вас дома. Преобразуется напряжение до необходимых значений на трансформаторных подстанциях (рис. 5).

Рис. 5. Схема передачи электроэнергии

Назвать потребителей электрической энергии для вас не составит труда, это тепловые, осветительные и другие бытовые приборы, промышленные и транспортные предприятия.

Электроэнергетика будущего

    Как и любая научно-производственная отрасль, электроэнергетика не стоит на месте. Глобальные задачи, стоящие перед человечеством в условиях загрязнения окружающей среды и истощения природных ресурсов, диктуют необходимость поиска новых путей, новых источников энергии.

       В настоящее время электроэнергию получают в основном на гидро- и теплоэлектростанциях. Оба производства наносят природе огромный вред. Если при сооружении гидростанций перекраивается ландшафт, засоляются почвы, страдает фауна рек, то тепловые электростанции являются одним из главных источников загрязнения среды. В процессе сжигания всех видов топлива образуются углекислый газ, окислы серы и азота, а также взвешенные частицы различных веществ. Смешиваясь с водой, окислы серы и азота образуют кислоты, что приводит к выпадению кислотных дождей, наносящих значительный ущерб лесам, почве, озёрам и другим стоячим водоёмам, а также здоровью населения.

       Гибель лесов из-за кислотных дождей наблюдается во всей Европе, в России, США и Канаде. Во всём мире появляется всё больше мёртвых водоёмов, в которых исчезают растения, выделяющие кислород, что приводит к гибели всех живых организмов.

         Закисление почв снижает урожаи сельскохозяйственных культур. Накопление углекислого газа в атмосфере ведёт к парниковому эффекту: углекислый газ атмосферы, пропуская солнечную энергию к Земле, задерживает излучаемое тепло, что способствует повышению температуры приземного слоя атмосферы. Всё это может привести ко многим негативным природно-климатическим явлениям на нашей планете.

      Человечество уже сейчас затрачивает энергию на очистку воздуха и воды. Повышение средней температуры Земли поставит перед ним ещё одну задачу — её охлаждения. Запасы же органического топлива (газа, нефти и угля), обеспечивающие современное производство электроэнергии, быстро уменьшаются и в скором времени могут закончиться.

        В связи с этим в энергетике ведётся интенсивный научный поиск возобновляемых видов топлива. Надежды на использование для получения энергии экологически чистого термоядерного горючего, запасы которого весьма велики, сталкиваются с большими техническими трудностями из-за высоких температур, возникающих при термоядерных реакциях.

       В качестве другого вида экологически чистого топлива учёные предлагают использовать водород. При сжигании водород соединяется с кислородом и образует воду. Разлагая воду с помощью электролиза, можно снова получить водород и кислород. В производственных условиях эта реакция пока идёт только при высокой температуре с потреблением большого количества электроэнергии.

       Учитывая, что коэффициент полезного действия тепловых электростанций не превышает 40%, сжигать в них водород слишком расточительно. Поэтому учёные многих стран ведут поиск новых способов оптимизации производства водорода из воды и его преобразования в электроэнергию с помощью катализаторов. Катализаторы в данном случае — это особые химические вещества, которые должны снизить температуру разложения воды и сделать возможным использование для этих целей энергии Солнца.

     Параллельно с этим проводятся изыскания водородсодержащих веществ, пригодных для более экономичного получения водорода. В природе подобные реакции происходят во всех живых организмах. Источником водорода для них служит обычная пища, а реакция соединения водорода с кислородом протекает в каждой клетке при низких температурах и сопровождается выделением электроэнергии, которая тут же превращается в химическую. При необходимости это химическое вещество разлагается с выделением тепла, электричества и света. Разгадать механизм этих природных превращений учёные-биохимики пока не могут, но поиски продолжаются.

       Более ощутимых успехов добилась наука в направлении так называемых топливных элементов. Минуя малоэффективную тепловую стадию сжигания водорода, попытались преобразовать его в электричество на стадии химической реакции горения. Реакция «холодного» горения водорода происходит в щелочной среде без повышения температуры, но при наличии катализатора — платины. Уже при температуре 100-200°С происходит образование электроэнергии. Топливные элементы были испытаны на американских космических кораблях, где обеспечили космонавтов не только электроэнергией, но и водой для питья и технических нужд. Коэффициент полезного действия генератора был более 50 %.

       В некоторых странах ведутся исследования по использованию топливных элементов в качестве генератора электрической энергии для питания двигателя электромобиля. Средний пробег электромобиля с водородными топливными элементами составил 100 тысяч километров.

      Первые образцы электромобилей с генератором на основе водородных топливных элементов успешно прошли дорожные испытания в СССР в 1980 году.

      И хотя их ещё нужно совершенствовать, увеличить срок службы генератора, его эффективность и надёжность, но даже в таком варианте электромобили имеют неоспоримые достоинства: низкий уровень шума при работе, простота в управлении и техническом обслуживании, отсутствие вредных выбросов. У нас в стране работы по совершенствованию электромобиля были прерваны в связи с экономическими трудностями.

       Сегодня ещё не найдены экономичные способы производства возобновляемого экологически чистого топлива для производства электроэнергии, и перед всеми технически развитыми странами остро стоит задача перехода к политике ресурсосбережения. Чем меньше будет расход сырья, воды, энергии на единицу произведённой продукции, тем меньше будет отходов и выбросов промышленности, а следовательно, и их негативного влияния на природу и человека.

      Эта задача особенно актуальна для нашей страны. Отставание технологий производства электроэнергии в России можно показать на таких примерах. В России средние удельные выбросы в атмосферу от тепловых электростанций, работающих на угле, по пыли, окислам серы и азота в несколько раз выше, чем в США, и продолжают расти. В целом для получения одной и той же продукции в нашей стране затрачивается в два раза больше электроэнергии, чем в США.

      Для производства электроэнергии у нас ещё плохо используется энергия Солнца и ветра. В то время как в развитых странах доля энергии от ветроэнергетики достигает 10-15%, в России при громадных запасах энергии ветра эта доля практически не достигает 1 %.

      Энергия Солнца в нашей стране используется в основном на космических станциях, в быту же её используют только отдельные умельцы. В то же время в Японии, Израиле, на Кипре, в США, Австрии, Индии, Франции и ЮАР широко налажен выпуск солнечных водонагревателей и солнечных печей для бытовых нужд.

       Солнечные установки для сушки зерна, сена, соломы и другой продукции сельского хозяйства могут дать значительную экономию электроэнергии в сельском хозяйстве.

       До 40 % тепла, предназначенного для обогрева наших жилищ, тратится на обогрев атмосферы из-за плохого проектирования домов, нарушения технологии их строительства, некачественной теплоизоляции трубопроводов теплоснабжения и плохой подготовки жилья к зиме. В таких странах, как Швеция и Финляндия, широко используется солнечный обогрев жилых зданий. Опыт этих стран представляет практический интерес для России.

      Переход в жилом секторе с освещения лампами накаливания на люминесцентные лампы даёт существенную экономию электроэнергии в быту. Он тормозится предубеждением о вредности люминесцентного освещения для зрения человека, которое возникло в связи с проблемами утилизации люминесцентных ламп и низким уровнем просвещения населения в этом вопросе.

       Таким образом, совершенствование технологических процессов в быту и на производстве таит в себе громаднейший резерв экономии энергии и уменьшает негативное воздействие человека на природу. Каждый может внести в энергосбережение свой посильный вклад.

Основные понятия и термины:

энергоресурсы, электроэнергия, источник электроэнергии, электростанция, линия электропередачи, приёмник (потребитель) электроэнергии.

? Вопросы и задания

1. Какие виды электростанций вам известны?

2. Узнайте, какая электростанция снабжает электроэнергией вашу квартиру (дом). Опишите принцип её работы. Объясните, почему электростанция именно этого типа построена в вашем районе.

3. Какие электробытовые приборы используются у вас дома; в школе?

4. Какими видами электротранспорта вы пользуетесь?

Задание 1

Найдите в Интернете и других источниках информации характеристики современных тепловых и атомных электростанций, солнечных и ветроэлектростанций, гидроэлектростанций. Составьте сравнительную таблицу.

Задание 2

Сделайте фотоальбом «Путь электрического тока от электростанции до квартиры», используя собственные фотографии или иллюстрации, найденные в Интернете.