Повышение эффективности энергосистем

В настоящее время известно несколько способов повышения эффективности энергосистем:

· создание тепловых электростанций с утилизацией тепловых отходов;

· применение комбинированного способа производства электроэнергии;

· создание МГД генераторов;

· разработка энергосистем с прямым преобразованием энергии.

На тепловых станциях с утилизацией тепловых отходов часть тепла, энергетически невыгодного для получения электроэнергии, используется для обогревания зданий и сооружений. Эти станции производят и тепло, и электроэнергию.

При комбинированном способе получения электроэнергии в парогазовых установках (ПГУ) к обычной тепловой системе подключается газовая турбина. Эта турбина приводится в движение потоком газов – продуктов сгорания и вращает якорь электрогенератора. При этом около 25% тепловой энергии сжигаемого топлива превращается в электрическую. Горячие газы, покидающие газовую турбину, нагревают паровые котлы, полученный пар подается на паровую турбину. Эффективность парогазовых установок достаточно высока. Например, построенная в 1999г. ПГУ в Великобритании имеет термический КПД 60%.

Одним из способов повышения эффективности производства энергии является применение МГД-генераторов. Принцип действия МГД генератора заключается в следующем. В горячие газы, образующиеся при сгорании топлива, добавляют металлический калий, который легко ионизируется с образованием заряженных частиц. Поток горячего газа с заряженными частицами представляет собой низкотемпературную плазму. Плазма направляется в специальный канал, который находится в магнитном поле. Электрический ток возникает при перераспределении заряженных частиц в магнитном поле и снимается с помощью электродов, расположенных вдоль канала. После выхода из канала горячие газы используются для получения пара. Пар направляется на турбину, соединенную с генератором, дающим электрический ток. Таким образом, в МГД-системе происходят два процесса: прямое преобразование энергии низкотемпературной плазмы в электрическую энергию и превращение тепловой энергии в электрическую. Предполагается, что комбинация обычной теплоэлектрической системы с МГД-генератором позволит получить КПД около 65%. Работы по созданию МГД-генераторов ведутся с 50-х годов XX в., однако пока не удается получить КПД выше 40%. В связи с этим широкого промышленного применения МГД-генераторы пока не нашли.

Перспективным представляется прямое преобразование энергии, исключающее энергетические потери на промежуточных стадиях. Прямое преобразование химической энергии в механическую происходит, например, при сокращении мышц. Подобное преобразование удалось имитировать в лабораторных условиях при воздействии щелочей и кислот на специально синтезированную полимерную пленку. Растягиваясь или сокращаясь в результате химических реакций, пленка совершает механическую работу. Промышленного применения эти эксперименты не нашли. Вряд ли в ближайшем будущем найдет промышленное применение для производства энергии химический лазер, в котором атомы возбуждаются за счет энергии химической реакции. КПД такого превращения очень низок.

Устройства с прямым преобразованием химической энергии в электрическую – батарейки и аккумуляторы – известны давно. Эти устройства не обладают большой мощностью. В последнее время сконструированы водород-кислородные топливные элементы, принцип действия которых аналогичен принципу действия электрохимических элементов. В топливных элементах электроды служат катализатором и не принимают непосредственного участия в выработке электроэнергии. Из 1 кг водорода в водород-кислородном топливном элементе можно получить в 10 раз больше энергии, чем при сгорании 1 кг бензина в двигателе внутреннего сгорания. При этом отработанным продуктом топливного элемента является вода, а не вредные выхлопные газы. Однако широкое распространение таких топливных элементов ограничивается высокой стоимостью водорода и проблемами его безопасного хранения и транспортировки.

Сравнительно недавно разработаны литий-иодные батареи с прямым преобразованием химической энергии в электрическую. Эти батареи применяются в электрокардиостимуляторах. Представляет практический интерес использование топливно-гальванических элементов, особенно воздушно-алюминиевых.

При разработке новых модификаций преобразователей химической энергии в электрическую особое внимание уделяется повышению их мощности, снижению себестоимости вырабатываемой электроэнергии и безопасности эксплуатации.

 

Альтернативные источники энергии

Гидроисточники

В связи с ограниченными запасами природных энергоресурсов и проблемой сохранения окружающей среды все больший интерес представляют источники энергии, образующейся не за счет процесса горения. К таким источникам энергии относятся вода, Солнце, ветер, геотермальные источники, ядерное топливо.

В гидроисточниках потенциальная энергия воды превращается в электроэнергию на гидроэлектростанциях, где с помощью плотины поднимается уровень речной воды, или на приливных электростанциях, использующих энергию приливов и отливов.

Принцип работы гидроэлектростанций основан на превращении потенциальной энергии воды в кинетическую энергию вращения турбины, связанной с генератором. Генератор на основе явления электромагнитной индукции превращает кинетическую энергию вращения турбины в электроэнергию. Для работы таких установок необходим большой перепад уровней воды. Одна из первых гидроэлектростанций, использующих естественный перепад уровней реки, была построена на Ниагаре. На современных гидроэлектростанциях возводятся громадные плотины, повышающие уровень воды и создающие водохранилища.

Гидроэлектростанции, строительство которых широко развернулось как в нашей стране, так и за рубежом после Второй мировой войны, внесли существенный вклад в увеличение энергоресурсов. В России построено более 100 гидроэлектростанций, одними из мощнейших являются наши Красноярская ГЭС (6000 МВт) и Саяно-Шушенская ГЭС (6400 МВт). Однако с течением времени выяснилось, что мощные гидроэлектростанции, построенные на равнинных реках, приводят к нарушению экологического баланса (затопление больших площадей, вывод из сельскохозяйственного оборота плодородных земель, изменение климата и т.д.). События на Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 г. показали, что нарушение технологических регламентов, непонимание требований к режиму эксплуатации ведут к тяжелым катастрофам. Восстановление гидроэлектростанции или экологического равновесия требует громадных финансовых затрат. Очевидно, гидроэнергетика перспективна только в случае использования естественного перепада уровня воды (например, на горных реках). В то же время основные потребители электроэнергии сосредоточены в основном не в горных районах, а передача электроэнергии на большие расстояния сопряжена с большими потерями.

Приливные электростанции преобразуют энергию морских приливов и отливов в электроэнергию. Приливные электростанции построены во Франции, России и Китае. Выработка электроэнергии на них не требует топлива и ее себестоимость относительно невысока, такие электростанции наносят минимальный ущерб окружающей среде. Однако стоимость сооружения приливных электростанций больше стоимости строительства гидроэлектростанции той же мощности, поэтому в настоящее время доля вырабатываемой приливными электростанциями электроэнергии невелика.

Необычная гидроэлектростанция – ледниковая ГЭС – работает в Гренландии. Турбина ледниковой ГЭС приводится в движение водой, поступающей из водохранилища, расположенного у подножия большого ледника. Летом ледник подтаивает, талая вода стекает в водохранилище. Зимой ледник нарастает за счет снега, а запасов воды, накопившихся летом, хватает на всю зиму.