• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
5362
Раздел: История
Энергетика: от прошлого к будущему

Энергетика: от прошлого к будущему

Со словом «энергетика» обычно ассоциируются миллионы тонн нефти, миллиарды кубических метров газа, миллиарды киловатт-часов... Реже вспоминаются тысячи километров трубопроводов и линий электропередачи... И только. На самом же деле энергетика как объективная реальность оказывается гораздо сложнее наших расхожих установок. Энергетические системы, объединяющие множество энергетических объектов, соединенных сложными связями, – цельные образования, согласно системной методологии, обладающие свойствами, не присущими составляющим их элементам. Причем эти новые системные характеристики могут быть как полезными, так и нежелательными...

Масштабы впечатляют

Чтобы разобраться во всей многогранности современной энергетики, в качестве точки отсчета возьмем начало ХХ века. За столетие энергопотребление возросло в 11 раз, в то время как численность населения увеличилась менее чем в 4 раза. В 2000 г. мировое потребление энергии приблизилось к 15 млрд т у. т.* в год, или 2,5 т у. т. на душу населения, причем основными потребителями были экономически развитые страны.

За этот период произошла последовательная смена доминирующих энергоносителей: дрова – уголь – нефть, человечество стало использовать существенно больше видов энергоносителей.

В течение ХХ века основная стратегия развития энергетики в экономически развитых странах заключалась в централизации энергоснабжения при создании все более мощных энергетических объектов, обслуживавших громадные территории. Это диктовалось экономической целесообразностью, так как требовало относительно меньших капитальных и текущих затрат. В результате сформировались эффективно работающие протяженные энергетических системы – электроэнергетические, газо-, нефте- и теплоснабжающие.

Плюсы энергетических систем

Современная энергетика представляет собой совокупность энергетических отраслей, организованных в энергетические системы, которые производят, перерабатывают и распределяют среди потребителей топливно-энергетические ресурсы и энергию. Эти системы взаимосвязаны: выходной продукт одной является входным для другой. Так, газ – топливо для электростанций, ТЭЦ и котельных, электроэнергия используется на нефтеперекачивающих станциях и т. д.

Открытое распределительное устройство Иркутской ГЭС – первенца крупнейшего в стране ангарского каскада гидроэлектростанций. Фото В. Короткоручко

Энергетические системы, особенно в экономически развитых странах, все более приобретают черты инфраструктурных, т. е. таких, без которых немыслимы жизнь современного человека и экономика. Одна из таких черт – возможность получить продукт или услугу требуемого качества в любом месте на планете и по доступной цене. Конечно, в этом плане энергетические системы пока уступают, например, той же телефонной связи или Интернету, но это пока…

Надежность, качество и эффективность достигаются за счет так называемых системных эффектов, наиболее хорошо изученных для электроэнергетических систем. Например, снижение установленной мощности электростанций может обеспечиваться за счет совмещения суточных максимумов нагрузки потребителей, находящихся в разных часовых поясах. Или за счет совмещения годовых максимумов, как это делается при совместной работе систем США и Канады (с максимальной летней и зимней нагрузкой, соответственно); взаимопомощи резервами и т. д. По оценкам специалистов, для Единой энергосистемы бывшего СССР суммарный системный эффект равнялся в энергетическом эквиваленте работе более пяти дополнительных Братских ГЭС.

Трудности и проблемы

Однако, как известно, за все надо чем-то платить. Энергетические системы – не исключение. Одним из новых системных свойств стало единство режимов работы энергетических систем. Это означает, что в каждый момент времени в каждом узле разветвленной сетевой структуры должен соблюдаться баланс входящих и выходящих потоков энергоресурса. И любое отклонение от обычного режима в любом из элементов (изменение нагрузки, аварийное отключение и др.) сразу же отражается на потоках всей системы.

Возникает непростая задача распределения потоков в сложной многосвязной структуре. Решать ее нужно регулярно, поскольку нагрузки в узлах меняются постоянно, и наилучшим способом (с минимумом потерь, расхода топлива и т. п.). Кроме того, следует принимать во внимание возможные сбои в работе элементов системы и неизбежные аварии, поскольку любое техническое устройство не имеет стопроцентной надежности. При сравнительно простых авариях с ситуацией помогают справиться резервы мощности, производительности, пропускной способности связей и управления. В сложных ситуациях возникают системные аварии.

Последние наиболее характерны для электроэнергетических систем вследствие практически мгновенной реакции всей системы на «возмущение». Системные аварии стали достаточно частыми с 60-х годов прошлого столетия. Одна из последних подобных катастроф аварий произошла в 2003 г. в Северной Америке. В результате 50 млн жителей в восьми штатах США и в двух провинциях Канады много часов оставались без электроэнергии. В нашей электроэнергетике крупных системных аварий не было с 1957 г. и до недавних московских событий в мае 2005 г. Вообще таким авариям противодействует весьма развитая и эффективная система противоаварийного управления, которая у нас в целом намного более эффективна, чем в той же Северной Америке и в Европе.

Подобные серьезные аварии могут происходить и в системах нефтеснабжения: их причиной являются возникающие в нефтепроводах «волны давления», вызываемые гидроударом. В системах газоснабжения сложные аварии практически не происходят, поскольку давление газа в трубопроводной системе может меняться в широком диапазоне. Тем не менее в целом уязвимость всех энергетических систем, зависимость от воздействий разной природы достаточно высока.

Новое время – новые тенденции

В конце прошлого столетия к тенденции укрупнения энергетических объектов добавилась новая, прямо противоположная. Стала интенсивно развиваться «малая» энергетика. К ней относятся так называемые распределенные источники энергии – энергетические установки небольшой мощности и производительности, с малыми сроками ввода в эксплуатацию, оказавшиеся весьма конкурентоспособными.

Развитие такой энергетики стимулировалось целым рядом факторов. Во-первых, неопределенностью рыночных цен на энергоресурсы сегодня и спроса на них в будущем. Во-вторых, появлением новых высокоэффективных технологий и увеличением доли высококачественных энергоресурсов (прежде всего, газа) в энергоснабжении. Не последнюю роль сыграло и ужесточение экологических требований, стимулирующее использование возобновляемых энергоресурсов (гидроэнергии, ветра, биомассы и др.) при протекционистской политике государств.

Высокоэффективные (с КПД до 55–60 %) газотурбинные и парогазовые установки (ГТУ и ПГУ) широкого диапазона мощностей, в том числе малых – от единиц до одного-двух десятков мегаватт, стали создаваться в 80-е годы прошлого столетия. Одновременно появился большой ассортимент мини- и микро-ГТУ (от долей киловатт до нескольких десятков киловатт). На их основе начали сооружаться малые комбинированные ГТУ-ТЭЦ для совместной выработки электроэнергии и тепла, что, с точки зрения экономии энергоресурсов, еще более эффективно.

Новоиркутская ТЭЦ. Фото В. Короткоручко

Развитие малых ГТУ-ТЭЦ происходит достаточно интенсивно. В частности, в странах Европейского Союза их мощность в 2000 г. составляла 12 % от суммарной мощности электростанций, а к 2020 г. она, согласно прогнозам, должна достигнуть 15–22 %.

В российских условиях малые ГТУ-ТЭЦ – эффективные, экологичные, с коротким сроком сооружения, быстро монтируемые установки – экономически выгодны уже сейчас, чему способствует газификация средних и малых городов и поселков. При этом, как правило, используется отечественное оборудование. В перспективе потенциальные возможности сооружения малых ГТУ-ТЭЦ вместо устаревших неэкономичных котельных в целом по стране могут составить к 2050 г. до 10–15 % от суммарной мощности электростанций.

Выгодные мини

К малой энергетике относятся и многие типы популярных ныне энергетических установок на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ). Западноевропейские страны – Германия, Дания, Великобритания, Нидерланды, Испания, Швеция, Италия – планируют к 2010 г. увеличить производство электроэнергии на базе ВИЭ в среднем более чем на 10 %, главным образом за счет использования энергии ветра. Потенциал ветровой энергетики есть и в России.

Следует заметить, что в 2000 г. в России работали всего 12 ветряных электростанций, две геотермальные установки, 59 малых ГЭС (мощностью от 0,5 до 30 мВт), около 100 мини-ГЭС (мощностью менее 500 кВт) и 11 установок на биомассе. Их суммарная мощность составила всего 0,5 % мощности всех электростанций в России и, несмотря на прогнозируемый рост, в ближайшие годы по-прежнему будет оставаться незначительной.

В нефтяном хозяйстве страны сейчас также идет активное освоение небольших нефтяных месторождений и развитие малых перерабатывающих установок. До недавнего времени в России действовало небольшое число крупных нефтеперерабатывающих заводов, использующих сложную и дорогостоящую технологию, выгодную лишь при переработке свыше 300 тысяч тонн нефти в год. Создание малотоннажных установок по производству высокооктановых бензинов оказалось экономически целесообразным с появлением новой каталитической технологии, разработанной в 1984 г. в Институте катализа СО РАН. По сравнению с традиционной технологией это позволило на треть снизить удельные капитальные затраты и эксплуатационные расходы и создать рентабельные мини-производства моторных топлив с производительностью переработки от 5 тыс. т нефти в год. Срок окупаемости таких мини-установок – всего 1,5–3 года, а обычных – 8–10 лет.

Аналогичная тенденция децентрализации наблюдается и в газовой отрасли.

Энергетические системы будущего

Согласно прогнозам, до середины нынешнего столетия и далее неизбежен значительный рост мирового потребления энергии, прежде всего в развивающихся странах. В промышленно развитых странах энергопотребление может стабилизироваться примерно на современном уровне или даже снизиться во второй половине века за счет повышения эффективности использования энергии. В России энергопотребление, возможно, будет расти до середины XXI века с последующей стабилизацией.

Север нашей страны богат возобновляемыми энергетическими ресурсами, перспективными для развития здесь распределенной энергетики

Структура энергетики по видам энергоресурсов, по прогнозам, качественно сохранится до середины нынешнего столетия. При этом энергетические системы будущего в связи с активным развитием малой энергетики будут отличаться от современных. Как и сейчас, они должны включать крупные источники электроэнергии (с напряжением 110 кВт), без которых невозможно снабжение электроэнергией крупных промышленных потребителей и обеспечение целесообразных темпов роста электропотребления. В то же время существенную роль будут играть установки распределенной энергетики для распределительной сети мощностью 6–35 кВт. Третий уровень – мини- и микро-установки (мини- и микро-ГЭС, ветряные, солнечные электростанции, топливные элементы и т. п.), которые подключаются на напряжении 0,4 кВт и устанавливаются у небольших потребителей, например в отдельных домах или даже квартирах.

Подобное сочетание крупных и малых источников, работающих на общую сеть, станет характерным и для других технологически единых энергетических систем – тепло-, газо- и нефтеснабжающих. Такая будущая трансформация энергетических систем существенно изменит их свойства, что поставит новые непростые задачи перед энергетической наукой. И задачи эти она обязана решить – нашим потомкам не нужны техногенные катастрофы..

Литература

Энергетика XXI века: Условия развития, технологии, прогнозы / Л. С. Беляев, А. В. Лагерев, В. В. Посекалин и др. Отв. ред. Н. И. Воропай. Новосибирск: Наука, 2004, 386 с.

Энергетика XXI века: Системы энергетики и управление ими / С. В. Подковальников, С. М. Сендеров, В. А. Стенников и др. Отв. ред. Н. И. Воропай. Новосибирск: Наука, 2004, 364 с.

Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию / Л. С. Беляев, О. В. Марченко, С. П. Филиппов и др. Отв. ред. В. И. Зоркальцев. Новосибирск: Наука, 2000, 269 с.

* т у. т. – тонна условного топлива, эквивалентная тонне хорошего угля

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!