Кпд передачи электроэнергии от электростанции до потребителя: Урок 12. преобразование и передача электроэнергии — Естествознание — 11 класс

Содержание

Урок 12. преобразование и передача электроэнергии — Естествознание — 11 класс

Естествознание, 11 класс

Урок 12. Преобразование и передача электроэнергии

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

  • Какие способы передачи энергии на расстояние существуют?
  • Чем обусловлены потери энергии при передаче?
  • Чем выгоден каждый способ передачи электроэнергии?
  • Как уменьшить потери при передаче электроэнергии?

Глоссарий по теме:

Электромагни́тная инду́кция — явление возникновения электрического тока, электрического поля или электрической поляризации при изменении во времени магнитного поля или при движении материальной среды в магнитном поле.

Правило Ленца: индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей.

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея).

Какова бы ни была причина изменения магнитного потока, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая в контуре Э.

Д.С. индукции определяется формулой:

Первичной обмоткой называется та, на которую подается исходное напряжение от какого-либо источника переменного тока. Вторичная обмотка – обмотка, которая служит источником питания для потребителя. Обычно первичную обмотку обозначают индексом 1, а вторичную – индексом 2.

Трансформатор (от лат.transformare — «превращать, преобразовывать») — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Обязательная литература:

  1. Александров, А. П. Атомная энергетика и научно-технический прогресс / А.П. Александров. — М.: Наука, 2015. — 272 c.
  2. Арутюнян, А. А. Основы энергосбережения / А.А. Арутюнян. — М.: Энергосервис, 2016. — 600 c.
  3. Демидов, В. И. Тепла Вам и света / В.И. Демидов. — М.: Лицей, 2009. — 254 c.

Дополнительные источники:

  1. https://moiinstrumenty.ru/elektro/obmotka-transformatora.html
  2. Якобсон, И.А. Испытания переключающих устройств силовых трансформаторов / И.А. Якобсон. — М.: Наука, 2006. — 56 c

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В современном мире трудно представить себе даже несколько минут без электричества. Многие жизненно важные приборы, а также бытовая техника потребляют электроэнергию. Проблема передачи электроэнергии на различные расстояния: от маленьких деревень до многомиллионных городов до сих пор остается актуальной. Как это осуществить с минимальными потерями и наиболее эффективно?

Развитие цивилизации и научно-технический прогресс, связанный с использованием двигателей, потребовал решения не только задач производства энергии, но также задачи передачи энергии на расстояние. С давних пор известно два способа передачи топлива для двигателей: транспортный и более экономичный – трубопроводный, применяемые до сих пор. Но самый эффективный способ – по проводам. Французский физик М. Депре построил первую линию электропередачи в 1880 г. Однако, и этот способ не позволяет избежать потерь, связанных с нагревом подводящих проводов.

При простейшем способе передачи, когда источник электроэнергии (электрогенератор) связан проводами с потребителем, процесс передачи можно изобразить схемой, приведенной на Рис. 1

Рис.1

Обозначая полезную потребляемую мощность (мощность на нагрузке) через Wн, а паразитную мощность, идущую на нагревание проводов через Wп, получим для них выражения:

Wн = I2Rн

Wп = I2Rп

Из этих формул видно, что отношение мощностей равно отношению сопротивлений.

Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно меньше. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из алюминия или меди и достаточно толстыми.

Уменьшить потери энергии в проводах по сравнению с энергией, которую нужно передать, можно, если уменьшить ток, текущий в проводах, по сравнению с током, который течет в приборах потребителя. Сделать это позволяет трансформатор, принцип действия которого основан на взаимопреобразовании электрического и магнитного полей. Трансформатор, история применения которого насчитывает почти полтора века, все это время служит человечеству верой и правдой. Его назначение — преобразование напряжения переменного тока. Это одно из немногих устройств, КПД которого может достигать почти 100%.

Самый простой трансформатор — это сердечник из ферромагнитного материала с большой магнитной проницаемостью (например, из электротехнической стали) и две намотанных на него обмотки (рис. 2). При пропускании через первичную обмотку переменного тока силой I1 в сердечнике возникает меняющийся магнитный поток Ф, которым пронизывается как первичная, так и вторичная обмотка.

В каждом из витков этих обмоток находится одинаковая по численному значению ЭДС индукции. Таким образом, отношения ЭДС в обмотках и витков в них одинаковы. На холостом ходу (I2 = 0) напряжения на обмотках практически равны ЭДС индукции в них, следовательно, для напряжений также выполняется соотношение:

U

1 / U2 ≈ N1 / N2, где

N1 и N2 — число витков в обмотках.

Отношение U1 / U2 называют еще коэффициентом трансформации (k). Если U1 < U2, трансформатор называют повышающим, при U1 > U2 — понижающим (рис 2). У первого трансформатора коэффициент трансформации больше, а у второго — меньше единицы. Поскольку КПД трансформатора близок к 100%, мощность в цепи первичной обмотки приблизительно равна мощности в цепи вторичной обмотки:

U1I1=U2I2

Следовательно, ток во вторичной обмотке меньше, чем ток в цепи потребителя. Так как потери на нагрев проводов в линии электропередачи пропорциональны , уменьшение тока в проводах линии электропередачи позволяет уменьшить потери энергии.

Один и тот же трансформатор, в зависимости от того к которой обмотке прикладывается, а с какой снимается напряжение, может быть как повышающим, так и понижающим.

Рис 2. Повышающий трансформатор (k < 1)

Рис 3. Понижающий трансформатор (k > 1)

При U2>>U1, U2>>U3 и, соответственно, I2<<I1, I2<<I3 потери электроэнергии на нагрев проводов значительно уменьшаются.

Но и трансформаторы не идеальные устройства. Реальные трансформаторы, работающие в системе передачи электроэнергии достаточно сложны и внутри их помимо полезного, возникают и вредные токи, снижающие эффективность передачи.

Поэтому не прекращаются поиски усовершенствования выработки и передачи электроэнергии.

Рис.4 Устройство трансформатора

Рис.5. Сверхпроводники

Выводы:

  • Передача энергии на расстояние в виде электроэнергии является в настоящее время наиболее удобным и дешевым способом передачи энергии.
  • Использование трансформаторов и увеличение напряжения в проводах линий электропередачи, позволяет существенно снизить потери энергии при передаче электроэнергии.
  • Ученые постоянно работают над проблемой сбережения энергии при ее передаче, например, использование сверхпроводников. Но многие проекты находятся еще на стадии разработки.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1: Подчеркните правильные ответы: «Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно __________. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из ________ или ее сплавов и достаточно_________».

Варианты ответов: больше, меньше, стали, меди, толстыми, тонкими.

Правильный вариант: Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно меньше. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из меди или ее сплавов и достаточно толстыми.

Задание 2: Решите кроссворд.

По горизонтали
2
. статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты, называют….

3. обмотка, на которую подается исходное напряжение от какого-либо источника переменного тока.

По вертикали
1.обмотка, которая служит источником питания для потребителя.

Правильный вариант

:

Электростанция на орбите: кто будет поставлять энергию из космоса на Землю | Электротранспорт

Китай намерен стать первой страной, построившей на околоземной орбите солнечную электростанцию, которая будет передавать собранную энергию на Землю. Один из вариантов предполагает передачу на Землю преобразованной энергии при помощи лазеров. Рассказываем, как Китай и другие страны развивают космическую энергетику.

Какие технологии используют в космической энергетике

  • Беспроводная передача энергии

Беспроводная передача электроэнергии была предложена на ранней стадии в качестве средства для передачи энергии от космической или лунной станции к Земле.

Энергия может быть передана с помощью лазерного излучения или СВЧ на различных частотах в зависимости от конструкции системы. Какой выбор был сделан, чтобы передача излучения была не ионизирующей, во избежание возможных нарушений экологии или биологической системы региона получения энергии?

Верхний предел для частоты излучения установлен таким, чтобы энергия на один фотон не вызывала ионизацию организмов при прохождении через них. Ионизация биологических материалов начинается только с ультрафиолетового излучения и, как следствие, проявляется при более высоких частотах, поэтому большое количество радиочастот будет доступно для передачи энергии.

Исследователи НАСА работали в 1980-х годах с возможностью использования лазеров для излучения энергии между двумя точками в пространстве. В перспективе эта технология станет альтернативным способом передачи энергии в космической энергетике.

В 1991 году начался проект SELENE, который предполагал создание лазеров для космической энергетики, в том числе и для излучения энергии лазером на лунные базы. 

В 1988 Грант Логан предложили использовать лазер, размещенный на Земле, чтобы обеспечить энергией космические станции, предположительно, это можно было осуществить в 1989. Предлагалось использование солнечных элементов из алмаза при температуре 300 °C для преобразования ультрафиолетового лазерного излучения.

Проект SELENE продолжал работать над этой концепцией, пока не был официально закрыт в 1993 после двух лет исследований, так и не осуществив тестирования технологии на большие расстояния. Причина закрытия: высокая стоимость осуществления.

  • Преобразование солнечной энергии в электрическую

В космической энергетике, в существующих станциях и при разработках космических электростанций единственный способ эффективного получения энергии — это использование фотоэлементов.

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для этого являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии.

КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16%, у лучших образцов до 25%. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 43%.

  • Получение энергии от СВЧ-волн, испускаемых спутником

Также важно подчеркнуть способы получения энергии. Один из них — это получение энергии с помощью ректенн. Ректенна  — устройство, представляющее собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля падающей на нее волны в энергию постоянного тока.

Простейшим вариантом конструкции может быть полуволновый вибратор, между плечами которого устанавливается устройство с односторонней проводимостью (например диод).

В таком варианте конструкции антенна совмещается с детектором, на выходе которого при наличии падающей волны появляется ЭДС. Для повышения усиления такие устройства могут быть объединены в многоэлементные решетки.

Плюсы и минусы космической энергетики

Космическая солнечная энергия — энергия, которую получают за пределами атмосферы Земли. При отсутствии загазованности атмосферы или облаков на Землю падает примерно 35% энергии от той, которая попала в атмосферу. 

Кроме того, правильно выбрав траекторию орбиты, можно получать энергию около 96% времени. Таким образом, фотоэлектрические панели на геостационарной орбите Земли, на высоте 36 тыс. км, будут получать в среднем в восемь раз больше света, чем панели на поверхности Земли, и даже еще больше, когда космический аппарат будет ближе к Солнцу, чем к поверхности Земли.  

Дополнительным преимуществом является тот факт, что в космосе нет проблемы с весом или коррозии металлов из-за отсутствия атмосферы.

С другой стороны, главный недостаток космической энергетики — это высокая стоимость. Вторая проблема создания ОЭС — большие потери энергии при передаче. При передаче энергии на поверхность Земли будет потеряны, по крайней мере, 40–50%.

Основные технологические проблемы космической энергетики

По данным американских исследований 2008 года, есть пять основных технологических проблем, которые наука должна преодолеть, чтобы космическая энергия стала легкодоступной.

  • Фотоэлектрические и электронные компоненты должны работать с высокой эффективностью при высокой температуре.
  • Беспроводная передача энергии должна быть точной и безопасной.
  • Космические электростанции должны быть недорогими в производстве.
  • Поддержание постоянного положения станции над приемником энергии: давление солнечного света будет отталкивать станцию от нужного положения, а давление электромагнитного излучения, направленного на Землю, будет толкать станцию от Земли.

Кто собирается добывать энергию из космоса

Китай хочет стать первой страной, которая развернет на околоземной орбите солнечную электростанцию. Объект планируется использовать для сбора, а также передачи собранной энергии на Землю.

Конструкцию планируется разместить на геостационарной орбите, на высоте 35 786 км, где она сможет постоянно находиться над выбранной точкой Земли, рассказал Лун Лэхао (Long Lehao), главный конструктор китайских ракет серии «Чанчжэн-9». 

Проект предусматривает строительство на орбите больших солнечных панелей. Преимуществом электростанции станет возможность почти постоянного получения солнечной энергии, независимо от погодных условий. Передавать энергию на Землю планируется с помощью лазеров или микроволн.

Энергия солнечных лучей будет преобразовываться в электрический ток, а затем при помощи микроволн или лазерного излучения передаваться на Землю.

К 2030 году на орбиту планируется вывести полноценную электростанцию мегаваттного класса. Коммерческую станцию гигаваттного класса китайские ученые хотят построить на орбите к 2050 году.

Информация о Японии, скорее всего, потеряла свою актуальность. Однако страна в 2009 году заявляла, что начинает строительство космической электростанции. 

Для участия в проекте стоимостью $21 млрд подрядили корпорации Mitsubishi Electric и IHI. В течение четырех лет они обязаны были разработать и сконструировать конкретные устройства для транспортировки панелей на стационарную орбиту 36 тыс.  км, сборки панелей и передачи электроэнергии на Землю с минимальными потерями. Однако, вероятно, проект по каким-то причинам решили не реализовывать. 

Главное научное учреждение Роскосмоса ЦНИИмаш выступило с инициативой создания российских космических солнечных электростанций (КСЭС) мощностью 1–10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям.

В ЦНИИмаше обращают внимание, что американские и японские разработчики пошли по пути использования СВЧ-излучения, которое сегодня представляется значительно менее эффективным, чем лазерное.

Проект ФГУП НПО им. Лавочкина предполагает использовать солнечные батареи и излучающие антенны на системе автономных спутников, управляемых по пилотному сигналу с Земли. Для антенны — использовать коротковолновой СВЧ-диапазон вплоть до миллиметровых радиоволн. Это даст возможность формировать в космосе узкие пучки при минимальных размерах генераторов и усилителей. Небольшие генераторы позволят и принимающие антенны сделать на порядок меньше.

Читать далее

В головном мозге человека зафиксирован неизвестный тип сигнала

На Курилах найден необычный песок, из которого японские самураи делали мечи

В Солнечной системе замечена самая большая комета за всю историю: это почти планета

Энергетика через сто лет – какой она будет? — Энергетика и промышленность России — № 08 (100) апрель 2008 года — WWW.

EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 08 (100) апрель 2008 года

Алексей ТОПЧИЙ, начальник НИО ОАО «Контактор», к. т. н.

— Ровно сто лет назад вряд ли кто мог предвидеть столь быстрое появление атомных электростанций, высадку человека на Луну, создание персонального компьютера. Поэтому прогнозировать развитие энергетики, наверное, надо в контексте развития фундаментальной и прикладной науки. Очевидно, что в ближайшие десятилетия появятся новые электротехнические материалы: электропроводные, электроизоляционные, электромагнитные, а также новые полупроводниковые материалы для силовой электроники. Возрастет коэффициент полезного действия и экономичность энергетического оборудования. Для преобразования энергии, ее передачи на расстояние, управления и распределения между потребителями будут еще долго использоваться электромагнитные процессы.

Однако качественного скачка в энергетике следует ожидать вследствие открытия новых источников энергии, новых способов ее преобразования, транспортировки, управления и распределения. Наша цивилизация, если не потеряет инстинкт самосохранения, неизбежно вынуждена будет отказаться от безудержной эксплуатации энергии собственной планеты и обратиться к космическим источникам энергии. И здесь прорывных технологий получения энергии следует ожидать как в области исследований микромира, так и в области изучения космических взаимодействий. До сих пор остается загадкой природа гравитационного поля и его взаимодействие с электромагнитным полем. И возможно, что грядущее столетие, с учетом нарастающей скорости развития науки и техники, создаст новую энергетику, в основе которой будут лежать новые физические процессы, более экономичные и менее опасные для среды обитания землян.

Александр ШМЕЛЕВ, главный конструктор по сухим трансформаторам с литой изоляцией компании «РосЭнергоТранс»

— На развитие энергетики будут влиять несколько факторов.

Во-первых, ресурсы, за счет которых питалась энергетика: уголь, газ, нефть, не беспредельны. Во-вторых, это сырье необходимо для получения более ценных продуктов. В-третьих, массовое их сжигание приводит к загрязнению окружающей среды, что в конечном итоге пагубно влияет на жизнедеятельность человека. Таким образом, все более актуальной становится проблема поиска альтернативных источников электроэнергии.

В связи с этим тенденции, по моему мнению, таковы: теплоэлектростанции, гидроэлектростанции уйдут в прошлое. На смену им придут безопасные атомные электростанции, геотермальные станции (энергия в таких станциях поступает от естественных источников – внутреннее тепло из‑под земли, например гейзеры), ветряные станции (используются, в частности, в Нидерландах), приливные станции (основанные на энергии приливов и отливов морей и океанов).

Сергей ПРАВОСУДОВ, директор Института национальной энергетики

— Российская энергетика стоит на пороге серьезного технологического прорыва, который должен совершиться не через сто лет, а в ближайшее десятилетие и даже в ближайшие годы. Прежде мы жили советским наследством, теперь оно закончилось, так что решительные меры необходимы.

Первая из этих мер – выход в новые регионы добычи углеводородов (шельф северных морей, Восточная Сибирь, Дальний Восток). Вторая – создание на этих неосвоенных территориях перерабатывающих производств, то есть экспорт не столько «сырых» нефти и газа, но и продуктов их переработки. Концепция развития энергетико-промышленного комплекса на востоке страны предусматривает строительство четырех крупных газоперерабатывающих заводов. В качестве адресов называют Красноярский край, Иркутскую область, Якутию, а также Хабаровск или Владивосток. Создание таких производств позволит не только экспортировать более высокотехнологичную и более дорогую продукцию (проще говоря, мы будем поставлять в Китай не газ, из которого китайцы сделают полиэтилен, полипропилен и различные товары массового потребления, а сам полиэтилен), но и решить проблему рабочих мест, оттока населения из восточных регионов России.

Задача номер три – модернизация российской электроэнергетики. Сегодня эта отрасль отличается невысоким КПД, около 30 процентов. Задача ближайшего будущего – построить электроэнергетику с более высоким КПД (50 процентов и выше), принимая в расчет ожидаемый высокий уровень энергопотребления.

Судя по готовности российских и зарубежных инвесторов, наличию необходимых технологий, эти планы реальны. Конечно, проблемы, связанные с их осуществлением, тоже реальны, но другого выхода у российской экономики просто нет.

Ольга РАКИТОВА, к. э. н., исполнительный директор некоммерческого партнерства «Национальное биоэнергетическое содружество» (НБС), главный редактор и генеральный директор журнала The Bieoenergy International. Россия/Международная биоэнергетика

— Смотря на развитие энергетики с точки зрения человека, который занимается вопросами биотоплива, можно сказать, что биоэнергетика, так же как и альтернативная энергетика, будет занимать определенную долю в топливно-энергетическом балансе России через 100 лет. Как это ни странно, мы отчасти возвратимся к истокам. Вместе с тем биоэнергетика будет иметь другое лицо, нежели сто лет назад. Вместо дров будут использоваться брикеты, щепа, гранулы и т. п. В России, где сосредоточено 25 процентов лесных запасов мира, использование древесного топлива в энергетике более чем целесообразно, и это понимают уже сейчас, когда на разных уровнях все активнее начинают говорить о создании программ, законов и т. п. в области биотоплива.

Ряд регионов активно использует биотопливо в топливно-энергетическом комплексе, однако это, как правило, или дрова, или щепа. Через сто лет развитие промышленности позволит перейти на более передовые виды биотоплива. Сейчас биотопливная отрасль только развивается, развивается скачкообразно, был подъем, сейчас стагнация, однако оптимисты не уходят с рынка, а занимаются развитием производства, и через сто лет их потомки будут снимать сливки с того, что сделали прадеды.

Валерий ГАРИФУЛЛИН, генеральный директор ООО «АЛВАТЕКС Защитные Технологии и Материалы»

— Ближайший век в сфере энергетики, как мне кажется, – время революционных открытий и изобретений. Так, ограниченность ископаемых нефтяных и газовых ресурсов требует перехода к возобновляемым природным источникам энергии, к малой и «зеленой» энергетике.

Но, думаю, ТЭК претерпит значительные изменения не только в области ресурсов, возможно, появятся и более сложные технологии, а вместе с тем получат свое развитие вредные факторы, влияющие на экологию и безопасность труда. За 10 лет, в течение которых компания «Алватекс ЗТМ» работает на рынке обеспечения промышленных предприятий России средствами индивидуальной защиты, я убедился, что энергетика – одна из самых передовых отраслей не только в плане технологий, но и в стремлении максимально снизить риск для здоровья человека. Уверен, что таковой она останется и через сто лет, а мы, в свою очередь, как поставщики средств индивидуальной защиты предприятиям ТЭК постараемся предложить энергетикам принципиально новые технологии и материалы защиты сотрудников.

Каковы будут эти инновации? Пока сказать трудно. Может быть, это будут сверхтонкие и сверхлегкие защитные наноматериалы, предохраняющие от колоссальных температурных или химических воздействий; возможно – средства защиты, которые совместят в себе несколько функций – защиту, связь, автономную выработку энергии. Надеюсь, что новые защитные технологии и материалы сведут на нет производственные риски, встречающиеся в энергетической отрасли.

Сергей КОЖЕМЯКО, генеральный директор ОАО «ТГК-11», президент Сибирской энергетической ассоциации

— Век для энергетической отрасли – колоссальный срок. Вся история отечественной электроэнергетики, по сути, укладывается в сто лет. Поэтому, думаю, немногие ученые способны спрогнозировать развитие технологий на такой период – это, скорее, удел писателей-фантастов. Представить себе, как будут выглядеть электростанции и сети XXII века, на каком топливе они будут работать, достаточно сложно. Хотя общие тенденции в развитии отрасли сегодня обозначились достаточно четко: снижение нагрузки на окружающую среду, акцент на возобновляемых источниках энергии, на энергосбережении.

Исходя из этого я считаю, что энергетика будущего в нашей стране будет опираться прежде всего не на сырьевые ресурсы, а на интеллектуальный потенциал. Уверен, что новые поколения отечественных энергетиков смогут предложить и внедрить решения, которые станут образцом для всего мира, такие, каким в свое время стала Единая энергетическая система. И, безусловно, я убежден в том, что профессия энергетика в России через сто лет будет такой же уважаемой и почетной, как сегодня, а вклад отрасли в развитие экономики по-прежнему будет определяющим.

Александр МОГИЛЕНКО, главный эксперт Управления технического аудита ОАО «Новосибирскэнерго»

— На мой взгляд, через 100 лет энергетика России претерпит следующие изменения.

В районах децентрализованного электроснабжения будет осуществлен переход на возобновляемые источники энергии (ветер, солнце), доля которых также возрастет и в южных регионах страны. Органы власти хоть и медленнее, чем хотелось бы, разработают и внедрят механизмы господдержки в этой области энергетики.

Возрастет также доля атомной энергетики в общем балансе. Скорее всего, это же ожидает и гидрогенерацию при условии реализации всех тех средне- и долгосрочных проектов строительства гидростанций, о которых много говорится уже сегодня.

Доли угольной и, особенно, газовой генерации будут постепенно сокращаться.

В электрических сетях будет осуществлен постепенный переход на такие динамично развивающиеся технологии, как гибкие сети переменного тока (FACTS), линии постоянного (HVDC) и переменного тока сверхвысокого напряжения и т. д. Несомненно, появятся и новые разработки, которые позволят увеличить пропускную способность сетей, усилить их надежность и повысить эффективность.

Сложнее всего спрогнозировать, как изменятся рыночные механизмы в энергетике, так как эти процессы и сейчас еще не приняли окончательно сформировавшегося вида.

P. S. Поздравляю газету «Энергетика и промышленность России» с юбилейным, 100‑м номером! Желаю дальнейшего повышения авторитета издания, расширения аудитории читателей и роста тиража!

Георгий АЛЕКСАНДРОВ, член-корреспондент Российской академии наук, профессор

— Человечество развивается очень странно, как правило, под влиянием соблазна получения сиюминутных прибылей, невзирая на последствия этой погони за быстрым обогащением.

И энергетика являет нам блестящие примеры.

В настоящее время основными источниками энергии всех видов, в том числе электроэнергии, являются запасы органического топлива, накопленные земной корой за миллиарды лет своего существования: это природный газ, нефть и уголь. Запасы всех этих природных энергоресурсов ограничены, и при современном уровне их потребления первых двух не хватит и на сто лет. А между тем еще Д. И. Менделеев говорил о том, что сжигать нефть в топках – все равно, что жечь ассигнации, поскольку все органические виды топлива могут использоваться человечеством значительно более эффективно при их химической переработке.

А теперь посмотрим на карту мира. На поверхности всех материков имеются обширные территории, страдающие от избытка солнечной энергии, энергии, которой природа бескорыстно снабжает нас, землян, не требуя взамен никаких затрат и усилий. А что же делают земляне? Опять же, тратят энергию, добываемую с большим трудом из природных кладовых, для того, чтобы снизить температуру окружающей среды (кондиционеры в домах, учреждениях, в магазинах, в автомобилях и т. д.). Но есть отдельные страны, где получение энергии путем сжигания органического топлива в значительной степени дополняется использованием солнечной энергии. Так, в Израиле вы не найдете ни одного дома (одноэтажного или многоэтажного), на крыше которого не была бы установлена солнечная батарея, которая обеспечивает снабжение дома горячей водой. Это значит, что люди научились использовать избыток солнечной энергии для преобразования ее в другие виды (горячая вода, электричество).

А теперь посмотрим еще раз на карту мира. Мы увидим огромные площади, где сегодня люди не живут, поскольку солнце переусердствовало и не без помощи людей уничтожило практически все живое, оставив голые пески. И площади таких пустынь поистине грандиозны: например, пустыня Сахара протяженностью в несколько тысяч километров. А таких пустынь (правда, площадью поменьше) множество на Земле – и в Австралии, и в Азии, и в Америке. Представим себе, что все эти пустыни хотя бы наполовину покрыты солнечными батареями, вырабатывающими электроэнергию. У них есть только один недостаток – солнце светит не непрерывно, и, соответственно, выработка электроэнергии на каждой солнечной электростанции имеет максимум, а затем спадает до нуля. Но если все такие электростанции объединить линиями электропередачи, то проблема решается автоматически. Все вместе солнечные электростанции будут вырабатывать электроэнергию непрерывно, что и требуется человечеству. Теперь спрашивается – можно ли создать такие линии электропередачи, которые позволят объединить электроэнергетические системы всего мира? И ответ будет положительным.

Больше того, такие линии электропередачи уже создаются. Для того чтобы передать электроэнергию на многие тысячи километров, нужны очень высокие,  ультравысокие, напряжения (свыше миллиона вольт). Первая такая линия длиной 2500 километров была создана в СССР в 80‑х годах прошлого столетия. Следующую такую линию построили в Японии через десять лет после нашей. А сейчас их строят уже в двух больших странах – Китае и Индии. Но пока все они построены на суше. А как соединить с единой мировой электроэнергетической системой Австралию? В Италии уже давно (в 1980 году) создан кабель на миллион вольт, который даже был опробован в эксплуатации в течение двух лет: по нему передавали невиданную до настоящего времени мощность 4000 МВт при предельной его возможности 7000 МВт при прокладке его в воде. Так что человечество уже приближается к такой, казалось бы, фантастической идее. И даже уже в прошлом веке разрабатывался проект объединения электроэнергетических систем СССР и США через Берингов пролив, Аляску и Канаду линией с напряжением 2 миллиона вольт длиной 10000 километров, между Красноярском и Чикаго. Ну, а после этого объединить всю Америку (Северную и Южную), всю Азию, Европу и Африку уже не так сложно.

И как сегодня богатеют страны, недра которых насыщены нефтью и газом, так в будущем страны, расположенные в экваториальной зоне, будут процветать за счет продажи электроэнергии в страны, удаленные от экватора. В единую энергосистему будет вливаться также электроэнергия, вырабатываемая на ветро- и гидростанциях, а также электроэнергия, вырабатываемая на атомных и термоядерных электростанциях, расположенных вблизи Северного Ледовитого океана, там, где, опять‑таки, живет немного людей. А все люди будут жить в комфортных условиях, освобожденных от дыма электростанций, работающих на органическом топливе, поскольку их попросту не будет. Все это через сто лет. Но уже сегодня надо начинать развивать единую энергосистему мира, как это уже делают умные китайцы и индийцы.

Николай ТАТАРИНОВ, заместитель генерального директора ОАО «ОГК-6» по производству – главный инженер

— В течение 10–15 лет будут изобретены новые типы энергогенерирующих установок малой и большой мощности и организовано их массовое производство. Каждый населенный пункт будет иметь свою установку и минимальное резервирование от магистральных сетей. КПД таких установок достигнет более чем 70 процентов, надежность – 100 процентов.

В ближайшие двадцать лет данное решение будет стремительно реализовываться во всем мире. Россия должна стать первой. Через 100 лет все будет хорошо.

Вадим ПОТАПОВ, директор Института угля и углехимии СО РАН

— Я бы предпочел сделать прогноз не на сто лет вперед, а на более короткий срок. Итак, я уверен, что через 25‑30 лет нас ждет увеличение доли угля в энергетике минимум до 30 процентов. Это связано и с ростом интереса к экологически чистым технологиям, и с тем, что запасы нефти и газа должны прийти к концу намного раньше, чем запасы угля. По сути, это будущее уже началось. Интерес к углю демонстрируют и приходящие в российскую энергетику иностранные компании, и «Газпром», который намерен развивать газификацию угля в Кузбассе. Кстати, на днях было принято решение, что строительство первой опытной электростанции «Газпрома», работающей на метане, будет начато уже в 2008 году.

При этом не стоит забывать, что развитие угольной генерации должно сопровождаться освоением новых месторождений.

Аркадий ПОРУНОВ, к. э. н., Сызранский технический университет

— К концу ХХI столетия ко многим ископаемым источникам энергии у общества будет такое же отношение, как сегодня к черной икре. Нефть и газ уже не только не будут доминировать как первичные энергоносители, но и вообще играть сколько‑нибудь заметную роль в мировом энергопроизводстве. Их доля в структуре мирового потребления первичных энергоресурсов не превысит 10‑15 процентов. Исключение, возможно, составит уголь. Его доля в общем объеме потребления первичных энергоресурсов по сравнению с сегодняшним значением будет постепенно возрастать с сегодняшних 29 процентов до 40‑45 процентов к середине века и затем, скорее всего, сохранится на этом уровне до конца столетия. В целом рынок энергетических углей в мире будет развиваться успешно в течение всего столетия. Такой сценарий развития энергетики, по моему мнению, наиболее вероятен в первую очередь для развитых, индустриальных стран и стран БРИК (Бразилия, Россия, Индия, Китай). Страны БРИК во многом будут определять характер развития мировой энергетики в течение всего ХХI века. Отношение к углю у энергетиков будет зависеть от масштабов и глубины научно-технического прогресса не только в энергетической сфере, но и во многих смежных отраслях.

Вернет утраченные позиции и ядерная энергетика, на ее долю будет приходиться не менее трети мирового производства электроэнергии. Реакторы на быстрых нейтронах станут играть заметную роль в мировом энергобалансе уже во второй половине столетия. Оставшаяся часть мировой потребности в энергии будет покрываться за счет так называемых нетрадиционных (ныне) отраслей энергетики, наиболее перспективная из которых — солнечная энергетика, размещенная в ближнем космосе. При этом проблема транспортировки энергии из космоса будет решена, по‑видимому, с использованием технологий СВЧ-излучения, характеризующихся высокими КПД прямого и обратного преобразования энергии.

Водород и управляемый термоядерный синтез могут заявить о себе как о реальных и высокоэффективных источниках энергии не ранее второй половины столетия, что объясняется необходимостью решения целого ряда труднейших не только научных, но и инженерных проблем.

Валерий БОРОВКОВ, д. т. н., заведующий кафедрой промышленной теплоэнергетики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, заслуженный энергетик России

— За будущее столетие мировая энергетика существенно изменит свой профиль: изменятся генерирующие источники, системы передачи электрической и тепловой энергии и все, что касается топливно-энергетического комплекса.

Триада, на которой базируется сегодняшний топливно-энергетический комплекс, состоящая из тепловых электростанций, атомных электростанций, а также ГЭС всех типов, сама по себе не претерпит серьезных изменений. Изменится только соотношение мощностей в каждой из ее составляющих.

На конец XXI века будут близки к исчерпанию, а может быть, исчерпают себя газ и нефтепродукты, По этой причине в течение XXI века будут существенно совершенствоваться технологии использования газа и мазута (резко возрастет количество парогазовых установок и других передовых технологий). Применение твердого топлива получит наибольшее развитие к началу XXII столетия.

Самые большие запасы твердого топлива в мире, находящиеся в Восточной Сибири, существенно изменят соотношение сил в большой энергетике. Наращивание мощностей с использованием суперсовременных технологий на твердом топливе, таких, как внутрицикловая газификация угля, сжигание в циркулирующем кипящем слое под давлением, и, в перспективе, пока неизведанные и неизвестные новые методы использования твердого топлива позволят поднять его эффективность до 70 процентов против сегодняшних 45‑50 процентов. Это будет возможно при существенном развитии гибридной энергетики, когда наряду с традиционными паротурбинными и газотурбинными технологиями добавятся технологии, позволяющие использовать низкопотенциальную теплоту.

К концу XXI века найдут широкое применение АЭС, использующие ториевый цикл, термоядерные электростанции и многие другие высокоэффективные технологии, которые пока не исследованы умами инженеров и ученых.

Главным итогом XXI века и основой развития энергетики в XXII веке станут сверхнизкие удельные расходы условного топлива на отпущенную единицу продукции. Дальнейшее развитие получит использование солнечной энергии и других возобновляемых источников.

Конкретно для России существенно понизится ввод новых мощностей на органическом топливе в европейской части страны, увеличится доля АЭС, особенно в районах Севера и Крайнего Севера, появится возможность создания крупных мегаполисов в этих районах с искусственным климатом на базе новых генерирующих мощностей, активное заселение этих районов людьми и развитие комплексов по добыче полезных ископаемых, которыми богаты Север и Восток России.

Все развитие энергетики будет тесно связано с подготовкой инженерных и научных кадров, развитием энергомашиностроительного комплекса (строительство и сооружение новых турбинных и котельных заводов, заводов по производству генераторов и трансформаторов, а также развитию систем АСУТП).

Создание в районах Восточной Сибири крупного комплекса, использующего твердое топливо на базе суперсовременных технологий, позволит создать энергосистему мощностью 2‑3 тысячи ГВт с экспортом продукции в Китай, Южную Корею, Японию, Индию, Индонезию и Австралию.

Такая программа, которая будет реализовываться в течение XXI века, потребует коренной перестройки всего топливно-энергетического комплекса России и мира: от конструирования, изготовления энергетических машин и проектирования до строительства и монтажа новых энергообъектов.

Реализация целей в области устойчивой энергетики в Бангладеш

Площадь Бангладеш составляет 147 570 км2, численность населения — 159 млн человек. В последние годы страна переживает стремительный подъем: средний темп прироста ВВП составляет 6 процентов. Экономический расцвет, стремительная урбанизация, расширение производства и развитие подстегнули в стране спрос на электроэнергию. Очевидно, что электричество — основное средство снижения уровня нищеты и улучшения социально-экономических условий жизни населения Бангладеш. Цель правительства страны — к 2021 году обеспечить доступ к электроэнергии для всех. Для реализации этой цели правительство уделяет приоритетное внимание энергетическому сектору и подготовило кратко-, средне- и долгосрочные планы выработки электроэнергии с использованием газа, угля, двухтопливных вариантов, атомной энергетики и возобновляемых ресурсов. Возобновляемые источники энергии будут играть жизненно важную роль в удовлетворении спроса на электроэнергию, в особенности в районах, не подключенных к центральным сетям. Правительство поставило задачу получать 5 процентов общего объема электроэнергии из возобновляемых источников к 2015 году и 10 процентов — к 2020 году. Для достижения этой цели правительство реализует ряд программ в области возобновляемых источников энергии.

 

Текущая ситуация в сфере энергоснабжения

Благодаря неустанным усилиям правительства за последнее время в энергетическом секторе удалось добиться существенных успехов. Правительству удалось уменьшить разрыв между спросом на электроэнергию и ее предложением. Объем выработки электроэнергии (включая собственные нужды предприятий) вырос с 4942 мегаватт (МВт) в 2009 году до 13 883 МВт в 2015 году. На сегодняшний день электросетями охвачены 74 процента населения, а выработка электроэнергии на душу населения достигла 371 кВт·ч. В таблице ниже приведены основные цифры, характеризующие энергетический сектор.

 

Характеристики энергетического сектора

Показатели на июнь 2015 года

Объем выработки электроэнергии (включая собственные нужды предприятий)

13 883 МВт

Линии передачи 

9 695 км сетей

Линии распределения

341000 км

Доступ к электроэнергии

74%

Выработка электроэнергии на душу населения

371 кВтч

Количество потребителей

17,5 млн

Средние потери в системе

13,54%

 

Долгосрочное планирование в секторе энергетики

Правительство поставило долгосрочную цель в области выработки электроэнергии с использованием следующих стратегий:

  • диверсификация топливной структуры;
  • создание отечественных видов первичного топлива;
  • участие в частных и совместных предприятиях;
  • повышение энергоэффективности;
  • использование альтернативных источников энергии;
  • использование угля как основного источника энергии;
  • трансграничная торговля электроэнергией;
  • использование атомной энергии;
  • снижение углеродных выбросов;
  • создание эффективной и рациональной инфраструктуры;
  • межотраслевое сотрудничество.

В рамках этой стратегии в 2010 году был составлен План комплексного развития энергосистем (PSMP), который сейчас подвергается пересмотру. Он предусматривает следующие цели:

 

Год

МВт

2016

16 000

2021

24 000

2030

40 000

 

Повышение роли возобновляемых источников энергии

а) Стратегии

Принимая во внимание энергетическую безопасность страны в будущем, правительство придает большое значение возобновляемым источникам энергии. Для облегчения процесса внедрения в стране технологий, использующих возобновляемые источники энергии, в 2008 году правительство утвердило Стратегию в области возобновляемых источников энергии. Ее целью является использование и распространение потенциала возобновляемых источников энергии, а также создание благоприятных условий, поощрение и поддержка государственных и частных инвестиций. Помимо Стратегии в области возобновляемых источников энергии, распространению возобновляемых источников энергии в Бангладеш способствуют и другие законы, стратегии и нормы.

 

б) Институциональная основа развития возобновляемых источников энергии (создание Управления по развитию устойчивой энергетики и возобновляемых источников энергии)

Закон о создании Управления по развитию устойчивой энергетики и возобновляемых источников энергии (SREDA) был принят в декабре 2012 года. Задачами SREDA являются поддержка, развитие и координация национальных программ в области возобновляемых источников энергии и энергоэффективности. SREDA подготовит кратко-, средне- и долгосрочные планы по достижению целей, поставленных правительством в его стратегии. Оно будет заниматься мониторингом всех программ и работ в сфере возобновляемых источников энергии, осуществляемых государственными и частными структурами. SREDA будет внедрять инновационные механизмы финансирования и стимулирования проектов в сфере возобновляемых источников энергии.

 

Возобновляемые источники энергии в Бангладеш

У возобновляемых источников энергии, особенно солнечной, в Бангладеш большие перспективы. Но в ближайшем будущем возобновляемые источники энергии будут оставаться дополнением к традиционной энергетике. Однако возобновляемые источники энергии будут играть важную роль в охвате потребителей, не имеющих доступа к национальным сетям или проживающих в районах, где прокладка сетей откладывается. Ниже перечислены основные возобновляемые источники энергии в Бангладеш.

 

Солнечная энергия

В Бангладеш, расположенной между 20°30’ и 26°45’ северной широты, количество солнечной радиации составляет в среднем 5 кВт·ч/м2 на протяжении более чем 300 дней в году. В течение дня солнце в Бангладеш светит 7—10 часов. Это изобилие солнечной энергии создает огромный потенциал в различных сферах; его использование поможет снизить потребление энергии, выработанной с применением традиционных ископаемых видов топлива, и обеспечит экологически чистую окружающую среду для будущих поколений.

 

Энергия ветра

Бангладеш имеет 700-километровую береговую линию, а в Бенгальском заливе расположено множество островов. Сильные южные и юго-западные муссонные ветры, дующие со стороны Индийского океана, могут быть использованы для выработки электроэнергии на ветроэлектростанциях. Сегодня в стране осуществляется несколько программ оценки ветровых ресурсов. Однако прогресс в области ветроэнергетики в Бангладеш невелик.

 

Биомасса

Выработка электроэнергии с использованием биомассы перспективна как для сельских, так и для городских районов. Помимо коровьего навоза, популярными видами биомассы для выработки энергии являются древесина, отходы лесной промышленности, муниципальные твердые отходы и птичий помет.

 

Малые и сверхмалые гидропроекты

За исключением нескольких возвышенностей в Читтагонгском горном районе Бангладеш имеет равнинный рельеф. Перепады высот недостаточно велики для гидроэнергетики; единственная ГЭС мощностью 230 МВт находится в Каптае (Читтагонгский горный район). Лишь в этом районе можно рассматривать строительство небольших гидроэлектростанций.

 

Прогресс в сфере возобновляемых источников энергии

За последние несколько лет в сфере возобновляемых источников энергии отмечается значительный прогресс. В настоящее время из возобновляемых источников получают около 404 МВт электроэнергии. Успешным оказалось внедрение в Бангладеш домашних солнечных энергосистем (ДСЭ). Они широко распространены в сельских районах, особенно там, где нет доступа к магистральным сетям. В таблице внизу показаны достижения в сфере возобновляемых источников энергии в Бангладеш к настоящему моменту.

 

МЕТОДЫ 

 МОЩНОСТЬ

(MВТ)

Установка домашних солнечных энергосистем (3,5 млн ед. )

150

Установка солнечных панелей на крышах государственных и общественных учреждений 

3

Установка солнечных панелей на крышах коммерческих зданий и торговых центров

1

Установка солнечных панелей потребителями при первичном подключении к электроэнергии

11

Установка ветроэлектростанций

2

Установка электростанций, работающих на биомассе

1

Установка электростанций, работающих на биогазе

5

Установка ирригационных систем на солнечной              1

энергии

ГЭС                                                                                 230                                     

 
Итого                                                                               404  
   

 

Программа развития возобновляемых источников энергии

Целевые показатели выработки электроэнергии из возобновляемых источников энергии

В соответствии с правительственной Стратегией в области возобновляемых источников энергии существует утвержденный ранее план по созданию не менее 800 МВт генерации из возобновляемых источников к 2015 году. Ниже приведены ожидаемые объемы выработки электроэнергии из возобновляемых источников в рамках государственных и частных инициатив.

 

Источник

Мощность

Солнечная энергия

500  МВт

Энергия ветра

200  МВт

Прочие

100 МВт

Итого

800  МВт

 

Программа установки домашних солнечных энергосистем (ДСЭ)

Компания Infrastructure Development Company Limited (IDCOL) пропагандирует и распространяет в отдаленных сельских районах домашние солнечные энергосистемы (ДСЭ) при помощи Программы солнечной энергетики, финансовую поддержку которой оказывают Всемирный банк, Глобальный экологический фонд (ГЭФ), Банк развития KfW, Германское общество по международному сотрудничеству (GIZ), Азиатский банк развития и Исламский банк развития. IDCOL начала эту программу в январе 2003 года и к июлю 2015 года успешно профинансировала установку более 3,5 млн ДСЭ, вырабатывающих в целом около 150 МВт электроэнергии. Задачей IDCOL является профинансировать установку 6 млн ДСЭ к концу 2016 года.

 

Программа установки солнечных панелей на крышах государственных и общественных учреждений

Чтобы удовлетворить растущий спрос на электроэнергию, государственные и общественные учреждения начали устанавливать на крышах солнечные панели, выдерживающие нагрузку от систем освещения и вентиляции. На сегодняшних день мощность установленных на крышах солнечных панелей составляет 3 МВт.

 

Ирригационные системы на солнечной энергии

Бангладеш — в основном аграрная страна, где орошаемые поля занимают 7,56 млн га. Во время сухого сезона, который продолжается с января по апрель, для ирригации необходимо большое количество воды. Для этого используются примерно 1,42 млн дизельных ирригационных насосов, которым требуется около 1 млн метрических тонн импортного дизельного топлива в год. С другой стороны, для работы 0,33 млн электрических ирригационных насосов необходимо около 1700 МВт электроэнергии. В этом контексте применение ирригационных насосов, работающих на солнечной энергии, имеет огромный потенциал. Правительство предложило программу замены 18,7 тыс. дизельных ирригационных насосов солнечными. В рамках этой программы будет выработано около 150 МВт электроэнергии.

 

Сетевые солнечные электростанции

Электроэнергия, вырабатываемая в малых солнечных сетях, слишком дорога для сельских жителей, если установкой этих сетей занимаются частные компании. Поэтому правительство приступило к реализации других проектов сетевых солнечных электростанций суммарной мощностью 793 МВт. Этими проектами будут заниматься государственные коммунальные службы или частные компании. Сейчас эти программы находятся на разных этапах реализации.

 

Биомасса

Большинство населения в Бангладеш использует биомассу для отопления и приготовления пищи. Около 90 процентов энергии, необходимой домохозяйствам для приготовления пищи, получают из биомассы. По подсчетам, в Бангладеш 30 млн домохозяйств, большинство из которых находится в сельской местности. Немногие знают, что токсичный дым, выделяющийся при приготовлении пищи на огне, может представлять собой серьезный риск для здоровья, в особенности женщин и маленьких детей. Подсчитано, что более 24 млн сельских и почти 6 млн городских жителей Бангладеш страдают в своих домохозяйствах от загрязнения воздуха, связанного с использованием твердого топлива. Загрязняющие вещества, высвобождающиеся при сжигании биомассы, также усугубляют проблему изменения климата.

В основном в домохозяйствах Бангладеш для приготовления пищи используются традиционные печи. Эти печи имеют низкий КПД, обусловленный значительными теплопотерями, и дают дым с большим содержанием сажи. Усовершенствованные печи (УП) — это традиционные печи, модифицированные для улучшенной теплоэффективности и уменьшения выбросов загрязняющих веществ. Институт топливных исследований и развития (IFRD) при Совете по научным и промышленным исследованиям Бангладеш (BCSIR) с 1973 года реализует различные пилотные проекты, касающиеся биомассы и УП.

Правительство с помощью организаций-доноров разработало программу популяризации УП в сельских районах. План действий был запущен в национальном масштабе в 2013 году. В этой сфере работают и другие организации-доноры, использующие другие механизмы финансирования: GIZ, Нидерландская организация развития (SNV), инициатива ЮСАИД «Активизация развития экологически чистой энергетики в Бангладеш» (CCEB) и Глобальное объединение за экологически чистые кухонные плиты. На сегодняшний день в стране используются 500 тыс. УП; правительство планирует установить 30 млн УП к 2020 году.

 

Программа картирования ветровых ресурсов

Бангладеш располагает потенциалом выработки ветровой электроэнергии на побережье и островах. Правительство составило план по выработке электричества с использованием энергии ветра при участии государственных и частных инициатив. Однако частные инвесторы не будут ощущать себя уверенно без надежных данных о ветровой энергии, на основе которых можно будет с гарантией привлечь финансирование. Именно поэтому правительством были начаты проекты картирования ветровых ресурсов.

 

Заключение

Правительство принимает меры для решения проблем в энергетическом секторе. Мы твердо уверены, что сможем удовлетворить свой спрос на электроэнергию с использованием устойчивых методов. Тем не менее в конечном итоге для успешного достижения объявленной правительством цели «Электричество для всех к 2021 году» крайне необходимо деятельное участие на национальном уровне всех заинтересованных сторон, включая регулирующие органы, а также партнеров в области развития. И все же даже при максимальных усилиях правительства всю территорию Бангладеш не удастся подключить к национальным энергосетям. Не присоединенными к ним останутся примерно 10 процентов отдаленных районов. Для достижения целей в области устойчивой энергетики Бангладеш придется положиться на возобновляемые источники энергии.  

Словарь ключевых терминов

ОАО «РАО Энергетические системы Востока» стремится к максимальной прозрачности в своей информационной политике. Одной из важных составляющих этой работы является тот факт, что мы не прячемся за сложными формулировками и готовы говорить простыми словами о такой интересной и сложной отрасли, как электроэнергетика. Мы подготовили для посетителей нашего сайта словарь наиболее употребимых электроэнергетических терминов, с тем, чтобы отрасль, которой мы гордимся, стала немного понятнее каждому.

А

Атомная электростанция (АЭС) — Электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обычных тепловых электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию.

В

Воздушная линия электропередачи (ВЛ) — система энергетического оборудования, предназначенная для передачи или распределения электрической энергии по проводам, находящимся на открытом воздухе и прикреплённым с помощью траверс, изоляторов и арматуры к опорам или другим сооружениям.

Г

Гарантирующий поставщик — коммерческая энергосбытовая организация, которой присвоен статус гарантирующего поставщика, осуществляющая продажу приобретенной электроэнергии Потребителю.

Геотермальная тепловая электростанция (ГеоТЭС) — электростанция, в качестве источника энергии использующая геотермальную энергию природных источников.

Гидроэлектростанция (ГЭС) — электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока.

Государственная районная электростанция (ГРЭС) — тепловая (конденсационная электростанция), производящая только электрическую энергию. С течением времени термин «ГРЭС» потерял свой первоначальный смысл («районная») и в современном понимании означает, как правило, конденсационную электростанцию (КЭС) большой мощности (тысячи МВт), работающую в объединённой энергосистеме наряду с другими крупными электростанциями.

Д

Дизельная электростанция (ДЭС) — стационарная или подвижная энергетическая установка, оборудованная одним или несколькими электрическими генераторами с приводом от дизельного двигателя внутреннего сгорания.

Диспетчерское управление энергосистемой — централизованное оперативное управление работой энергосистемы, осуществляемое диспетчерской службой. Примечание: управление осуществляется на основе оптимизации электрических, теплоэнергетических и гидроэнергетических режимов в целях обеспечения бесперебойного снабжения потребителей электроэнергией надлежащего качества, включая задание суточных графиков работы электростанций, ведение текущих режимов, вывод оборудования в ремонт и ликвидацию аварийных состояний энергосистемы.

И

Изолированная энергосистема — энергосистема, не имеющая электрических связей для параллельной работы с другими энергосистемами.

К

Кабельная линия электропередачи (КЛ) — кабельная линия — ЛЭП, провода которой от ввода до ввода расположены под землей.

Конденсационная электростанция (КЭС) — тепловая электростанция, производящая только электрическую энергию, своим названием этот тип электростанций обязан особенностям принципа работы. Исторически получила наименование «ГРЭС» — государственная районная электростанция. С течением времени термин «ГРЭС» потерял свой первоначальный смысл («районная») и в современном понимании означает, как правило, конденсационную электростанцию (КЭС) большой мощности (тысячи МВт), работающую в объединённой энергосистеме наряду с другими крупными электростанциями. Иногда встречается термин «гидрорециркуляционная электростанция», что соответствует аббревиатуре.

Котельная — здания или помещения (встроенные, пристроенные, размещенные на крыше зданий) с котлами или теплогенераторами и вспомогательным технологическим оборудованием, предназначенными для получения энергоносителей (водяного пара и горячей воды) в целях теплоснабжения или выработки продукции.

Л

Линия электропередачи (ЛЭП) — электроустановка для передачи на расстояние электрической энергии, состоящая из проводников тока — проводов, кабелей, а также вспомогательных устройств и конструкций.

О

Объединенная энергосистема — совокупность нескольких энергетических систем, объединенных общим режимом работы, имеющая общее диспетчерское управление как высшую ступень управления по отношению к диспетчерским управлениям входящих в нее энергосистем.

Т

Теплоцентраль (ТЦ) — станция, вырабатывающая тепловую энергию для централизованного теплоснабжения потребителей.

Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ)

разновидность тепловой электростанции, которая не только производит электроэнергию, но и является источником тепловой энергии в централизованных системах теплоснабжения (в виде пара и горячей воды, в том числе и для обеспечения горячего водоснабжения и отопления жилых и промышленных объектов).

ТЭЦ конструктивно устроена как конденсационная электростанция (КЭС). Главное отличие ТЭЦ от КЭС состоит в возможности отобрать часть тепловой энергии пара, после того, как он выработает электрическую энергию. В зависимости от вида паровой турбины, существуют различные отборы пара, которые позволяют забирать из нее пар с разными параметрами. Турбины ТЭЦ позволяют регулировать количество отбираемого пара. Отобранный пар конденсируется в сетевых подогревателях и передает свою энергию сетевой воде, которая направляется на пиковые водогрейные котельные и тепловые пункты. На ТЭЦ есть возможность перекрывать тепловые отборы пара, в этом случае ТЭЦ становится обычной КЭС. Это дает возможность работать ТЭЦ по двум графикам нагрузки:

  • тепловому — электрическая нагрузка жёстко зависит от тепловой нагрузки (тепловая нагрузка — приоритет)
  • электрическому — электрическая нагрузка не зависит от тепловой, либо тепловая нагрузка вовсе отсутствует, например, в летний период (приоритет — электрическая нагрузка).

Совмещение функций генерации тепла и электроэнергии (когенерация) выгодно, так как оставшееся тепло, которое не участвует в работе на КЭС, используется в отоплении. Это повышает расчетный КПД в целом (80 % у ТЭЦ и 30 % у КЭС), но не говорит об экономичности ТЭЦ. Основными же показателями экономичности являются: удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении и КПД цикла КЭС.

При строительстве ТЭЦ необходимо учитывать близость потребителей тепла в виде горячей воды и пара, так как передача тепла на большие расстояния экономически нецелесообразна.

Территориальная генерирующая компания (ТГК) — теплогенерирующая компания, ведущий производитель и поставщик электрической и тепловой энергии на определенной территории.

Трансформаторная подстанция (ТП) — подстанции, предназначенные для преобразования электрической энергии одного напряжения в энергию другого напряжения при помощи трансформаторов.

Э

Электрическая подстанция (ПС) — электроустановка, предназначенная для приема, преобразования и распределения электрической энергии, состоящая из трансформаторов или других преобразователей электрической энергии, устройств управления, распределительных и вспомогательных устройств.

Электроэнергетика — сфера экономики, включающая совокупность производственных и иных имущественных объектов, принадлежащих на праве собственности или иных законных основаниях различным юридическим или физическим лицам, и непосредственно используемых в процессе производства, передачи и сбыта электрической энергии, и самих лиц, осуществляющих указанные виды деятельности, а также комплекс экономических и иных взаимоотношений, возникающих в процессе их осуществления.

Энергетическая система — совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической энергии и тепла при общем управлении этим режимом.

Энергокомпания — коммерческая организация, субъект рынка энергии, осуществляющая в рыночных условиях производство, передачу, распределение и/или сбыт энергии. Различают генерирующие энергокомпании, сетевые, распределительные, сбытовые и интегрированные, объединяющие несколько вышеуказанных видов деятельности.

Приложения: Последние новости России и мира – Коммерсантъ Business Guide (55296)

Тема энергоэффективных электростанций и способов передачи энергии стала наиболее актуальной еще при РАО «ЕЭС России». Сейчас любая строящаяся станция обладает наилучшими характеристиками по соотношению «расход топлива—выработка электроэнергии». Что же касается технологии передачи электроэнергии, то здесь ситуация сложнее: замена старых сетей на новые займет много лет.

Екатерина Гришковец

Задача заменить морально устаревшее оборудование на российских электростанциях была поставлена в Генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики до 2020 года. Речь в ней шла о том, что производить электроэнергию необходимо с минимально возможными затратами топлива, при этом значительно увеличив коэффициент полезного действия турбины. Причем речь идет не только о парогазовых установках, но и об угольных, отвечающих самым высоким экологическим стандартам и отличающихся высокой производительностью. Постепенно такие электростанции строятся, однако во многих регионах по-прежнему работает устаревшее оборудование. «В энергетике, на промышленных предприятиях в основной массе стоит устаревшее оборудование, которое по своим показателям энергоэффективности не отвечает современным требованиям»,— говорит заместитель генерального директора группы Е4 Александр Невейко.

Быстрый рост потребления электроэнергии и проблемы, которые возникают при ее передаче, а также проблемы защиты окружающей среды можно решить в случае развития более эффективных энергосберегающих технологий. В компании «Сименс» считают, что повышение эффективности энергетических систем будет наиболее существенным фактором при решении экологических проблем в будущем. Кроме того, развивающимся и новым индустриальным странам требуется помощь для удовлетворения возрастающих потребностей в электроэнергии без оказания сильного воздействия на окружающую среду. Применение ультрасовременных технологий для инфраструктуры энергоснабжения позволит более эффективно использовать источники энергии, прежде всего ископаемое топливо, чтобы снижать воздействия на климат и не допустить полного исчерпания ресурсов.

Компания «Сименс» совместно со своими партнерами является единственным в мире поставщиком, предлагающим весь спектр современных технологий для электростанций. Это обычные тепловые электростанции и передовые технологии, такие как парогазовые электростанции с интегрированной газификацией угля, ветровые электростанции и гидроэлектростанции, топливные элементы для централизованного и децентрализованного производства электроэнергии. Компания «Сименс» — мировой лидер в сфере производства паровых турбин для солнечно-тепловых электростанций. В России множество строящихся электростанций применяет технологии «Сименс».

Энергетический сектор компании «Сименс» предлагает широкий спектр продуктов, решений и услуг промышленного применения для клиентов в нефтегазовой промышленности и других отраслях. Кроме того, портфель компании «Сименс» включает продукты для эффективной передачи и распределения электроэнергии. При использовании этих продуктов произведенную электроэнергию можно транспортировать и распределять без излишних потерь.

Энергопроизводство

Парогазовые электростанции — это электростанции, которые обеспечивают наиболее высокий уровень охраны окружающей среды и климата. На лучших электростанциях комбинированного цикла еще в 1992 году был получен коэффициент полезного действия, равный 52%. В 2002 году на электростанции «Майнц-Висбаден» (Германия) был получен КПД более 58%, что в то время было мировым рекордом. Выбросы углекислого газа в расчете на 1 кВт ч выработанной электроэнергии составляли всего около 345 г благодаря высокой эффективности использования природного газа, который является низкоуглеродистым топливом. «Для дальнейшего повышения эффективности парогазовых электростанций необходима оптимизация пароводяного цикла и дальнейшее повышение температуры сгорания газа. Для этого потребуются новые материалы, имеющие улучшенные кристаллические структуры. Кроме того, потребуется улучшенное покрытие для защиты материалов от воздействия коррозии и высоких температур. После разработки таких материалов будет возможно повышение КПД парогазовых электростанций до 63% к 2020 году»,— говорят в «Сименс».

Помимо парогазовых сейчас существуют парогазовые электростанции с системой интегрированной газификации угля. Из-за особых преимуществ процесса с комбинированным циклом эта технология будет использоваться в будущем не только для природного газа, но также и для таких видов топлива, как уголь, который широко доступен во всем мире, биотопливо и нефтяные остатки, получаемые на нефтеперерабатывающих заводах. Наибольших успехов следует ожидать от парогазовых электростанций с системой интегрированной газификации угля. В Европе эта концепция уже реализована в городе Буггенум (Нидерланды), где электростанция работает на угле, и в городе Пуэрто-Ильяно (Испания), где используется смешанный тип топлива, который производится из угля и нефтяных остатков, получаемых на нефтеперерабатывающих заводах. Прежде всего топливо газифицируется. Затем полученный синтетический газ, главным образом состоящий из смеси оксида углерода и водорода, очищают и используют в газовой турбине с незапущенным паровым генератором для рекуперации теплоты. Иными словами, идет процесс комбинированного цикла. При использовании современной технологии газовых турбин в сочетании с интегрированной газификацией угля можно получить КПД, превышающий 47%.

Когда дело доходит до КПД, важную роль играет комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ): ТЭЦ имеют значительно более высокий энергетический КПД из-за одновременного производства электроэнергии и тепла. В результате получается экономия топлива. Однако ТЭЦ требует наличия сети районной теплоцентрали или промышленного потребителя технологического пара.

ТЭЦ «Руа», построенная компанией «Сименс» в городе Гетеборге (Швеция), имеет эффективность 92,5%. Это означает, что этот город может сократить выбросы углекислого газа на 600 тыс. тонн ежегодно, поскольку теплоэлектростанция дополнительно обеспечивает до 35% от потребностей города Гетеборга в тепле. Другой пример — парогазовая ТЭЦ химического концерна BASF в городе Людвигсхафен, на которой производится технологический пар. В результате эффективность составляет около 90%, при этом ежегодно выбросы CO2 снижаются более чем на 500 тыс. тонн.

Другой способ получения высокого КПД — прямое электрохимическое преобразование химической энергии топлива в электрическую энергию и тепло с помощью топливных элементов. В топливном элементе водород, природный газ или каменноугольный газ взаимодействуют с кислородом или воздухом с целью получения электричества и тепла. Топливные элементы имеют практически нулевой уровень выбросов оксида углерода и двуокиси серы и очень низкий уровень выбросов оксида азота. Объем выбросов углекислого газа зависит от используемого топлива, причем из-за высокого КПД этот уровень является очень низким для природного газа и нулевым при применении водорода. Компания «Сименс» является мировым лидером по твердооксидным топливным элементам. Электростанции на таких элементах имеют КПД около 50% для простых систем и до 70% — для гибридных систем типа твердооксидный элемент/газовая турбина. Полупромышленная модель SOFC-200 имеет электрическую мощность 125 кВт и тепловую — 100 кВт.

Сетевая передача

Однако важно не только произвести, но и передать электроэнергию с минимальными потерями. Для единой национальной энергосети (ЕНЭС) Минэнерго ежегодно устанавливает для ОАО «Федеральная сетевая компания» (ФСК; владеет всеми магистральными сетями РФ) нормативный предел технологических потерь. С каждым годом он уменьшается: в 2008 году норма составляла 5,2%, в этом — уже 5%. «В каждом деле есть свои особенности. Несмотря ни на какие современные методы, доставить по сетям все 100% выработанной генераторами электроэнергии потребителям технологически невозможно,— говорят в ФСК.— При передаче электроэнергии на расстояние возникают неизбежные потери, обусловленные объективными факторами и физическими законами».

Объем фактических потерь электрической энергии в ЕНЭС определяется как разница двух величин — фактического поступления электроэнергии в сети от объектов генерации и ее отпуска из сетей потребителям. То есть если в 2008 году в ЕНЭС поступило 510 528,618 млн кВт ч от выработанной станциями электроэнергии, а российским потребителям и в соседние страны было отпущено 488 662,881 млн кВт ч, то фактические потери составили 21 865,74 млн кВт ч (4,63%).

Можно выделить несколько ключевых направлений в работе по снижению потерь в ЕНЭС — это оптимизация режимов эксплуатации и управления электрическими сетями, снижение расхода электроэнергии на собственные нужды подстанций, внедрение энергосберегающего оборудования в процессе технического перевооружения и модернизации линий и подстанций компании. В основном диспетчер имеет дело с двумя типами оборудования на подстанциях, управление которым позволяет ему выдерживать схемно-режимные параметры сети и оптимизировать потери. Это устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) силовых трансформаторов и средства компенсации реактивной мощности (СКРМ). РПН трансформаторов позволяют регулировать и оптимизировать уровни напряжения в электрической сети и снижать потери на корону.

Корона — негативное явление, возникающее на проводах линий электропередачи и элементах оборудования, находящихся под высоким напряжением. Вызывает до 20% всех потерь электроэнергии в ЕНЭС. Проявляется, в частности, хорошо знакомым «гудением» высоковольтных проводов, которое порождается коронными разрядами.

СКРМ уменьшают потоки реактивной мощности по высоковольтным линиям и тем самым снижают потери в проводах, а также снижают потери на корону, поддерживая оптимальное напряжение в сети.

Реактивная мощность (единица измерения — вар) — часть передаваемой по сетям мощности, которая, в отличие от активной, не преобразуется потребляющей установкой в полезную энергию — механическую, тепловую и пр.— и является одной из основных причин потерь электроэнергии.

В ФСК рассказывают, что на подстанциях 500 кВ «Ново-Анжерская», «Заря» и подстанции 220 кВ «Кирилловская» в течение последнего года введены в эксплуатацию устройства компенсации реактивной мощности — статические тиристорные компенсаторы общей установленной мощностью 350 Мвар, годовой энергосберегающий эффект работы установок за счет снижения потерь на корону оценивается в 3 млн кВт ч.

В 2009 году планируется ввести реакторной мощности на 75% больше, чем в прошлом году, когда суммарная установленная мощность введенных средств компенсации реактивной мощности составила 1285 Мвар. Только за счет оптимизации электрических режимов по реактивной мощности и напряжению в текущем году планируется снизить потери электроэнергии на 164 млн кВт ч.

Отключение оборудования подстанций (как правило, это силовые трансформаторы) применяется при малых нагрузках. В весенне-летний период в не густо населенных районах потребляемая мощность может значительно снижаться, что, соответственно, будет уменьшать нагрузку на сетевое оборудование. В эти моменты становится эффективнее временно вывести в резерв часть трансформаторов, а имеющуюся нагрузку распределить между работающими трансформаторами подстанций.

Периодическое отключение в режимах малых нагрузок трансформаторов, установленных на подстанциях с двумя и более трансформаторами, например, позволит отдельному филиалу ФСК снизить потери электроэнергии на 3 млн кВт ч.

Снижение расхода электроэнергии ФСК на собственные нужды подстанций (до 20% от общего эффекта) подразумевает оптимизацию работы вентиляторов охлаждения трансформаторов и автотрансформаторов, а также средств отопления и освещения зданий управления подстанциями. За счет реализации этих мер в 2009 году в целом по ЕНЭС запланировано уменьшение потерь на 44,8 млн кВт ч.

Модернизация объектов ЕНЭС является одной из задач реализуемой инвестиционной программы компании. Например, в первом квартале 2009 года МЭС Юга завершили монтаж термостойкого провода на линии электропередачи 220 кВ «Афипская»—«Крымская» протяженностью 210 км. Новый провод обладает уникальной конструкцией и не подвержен коррозии и гололедообразованию, что особенно актуально в климатических условиях юга России, для которого характерны резкие перепады температур и высокая влажность. В результате выполненных работ пропускная способность линии была увеличена с 200 до 360 МВт, что не только повысило надежность электроснабжения Абинского, Крымского и Северского районов Краснодарского края, но и позволило снизить на 15% потери передаваемой электроэнергии.

Не так просто создать устойчивые сети, способные быстро и гибко реагировать на изменения нагрузки, говорят в «Сименс». Рост возобновляемых источников электроэнергии и международной торговли электроэнергией — два фактора, которые уже учитываются при строительстве сетей передачи электроэнергии. В связи с этим дальновидные и инновационные концепции передачи электроэнергии и ее распределения сегодня стали более важными, чем когда-либо прежде.

Линии передачи высокого напряжения на постоянном токе (HVDC) уже проверены как жизнеспособное средство транспортировки электроэнергии от производителей до потребителей во всем мире на большие расстояния с минимальными потерями в многочисленных проектах. В целом чем выше напряжение, тем ниже потери. Один из показательных проектов «Сименс» по технологии и работе HVDC — это «электрическое шоссе» между провинцией Юньнань в юго-западном Китае и провинцией Гуандун в южном Китае. Эта дальняя линия передачи будет иметь мощность 5 тыс. МВт при напряжении 800 кВ — причем оно выше, чем у других подобных линий в мире. Когда эта линия начнет работать в середине 2010 года, электроэнергия, производимая несколькими гидроэлектростанциями, будет транспортироваться по ней на линии постоянного тока длиной 1,4 тыс. км (870 миль). Производство электроэнергии на гидроэлектростанциях экономично, безвредно для окружающей среды и не сопровождается выделением углекислого газа. Такая линия HVDC поможет исключить выброс в атмосферу более 30 млн тонн разрушительного для климата углекислого газа в год, который в противном случае производился бы на обычных тепловых электростанциях.

Технология передачи высокого напряжения на постоянном токе будет все чаще использоваться европейскими поставщиками, считают в «Сименс». Она уже используется для передачи электроэнергии по подводному кабелю через пролив Сторебельт между датскими островами Фиония и Зеландия, а также между Нидерландами и Великобританией. Новейшим проектом является прокладка линии передачи между материковой Испанией и Балеарскими островами. Начиная с мая 2011 года подводный кабель HVDC длиной 250 км (155 миль) с напряжением 250 кВ и пропускной способностью 400 МВт обеспечит туристический остров Мальорка электропитанием с территории Испании. Основной целью строительства этой линии является обеспечение пиковой нагрузки в течение основного сезона отпусков. При этом выбросы углекислого газа будут сокращены более чем на 1,2 млн тонн год — столько составили бы выбросы углекислого газа, если бы электроэнергия производилась на месте традиционными тепловыми электростанциями.

HVDC PLUS позволяет транспортировать электроэнергию с малыми потерями от прибрежных парков ветроустановок на побережье и экономически эффективные безвредные для окружающей среды средства передачи электроэнергии к буровым платформам для бурения нефтяных скважин от сети передачи электроэнергии на суше. Эту технологию можно использовать для организации линий передачи на постоянном токе с пропускной способностью во всем диапазоне до 1 тыс. МВт, в котором в настоящее время используются исключительно классические преобразователи с линейной коммутацией.

Кроме того, эта ключевая технология передачи электроэнергии позволяет передавать ее на нефтяные и газовые платформы с береговых систем по подводному кабелю. Таким образом, используя технологию HVDC PLUS, можно устранить выбросы углекислого газа и оксида азота небольшими электростанциями, работающими на морских платформах.

Система сети передачи электроэнергии постоянного тока среднего напряжения Siplink (линия электропередачи «Сименс») обеспечивает гибкую и надежную передачу электроэнергии между различными распределительными сетями. Система Siplink поддерживает взаимный обмен электроэнергией, а также повышает стабильность напряжения и надежность без электрического соединения сетей.

Технология Siplink используется для соединения муниципальных систем передачи электроэнергии, например в Ульме и Новом Ульме в Германии, которые невозможно было соединить, используя старую технологию. Система Siplink повышает стабильность напряжения в обеих сетях и обеспечивает обмен электроэнергией между сетями.

Стоящие на якоре в портах суда могут питаться из системы передачи электроэнергии гавани по Siplink. Обычно бортовые системы передачи электроэнергии питаются от двигателей судна, в которых сжигают неочищенную нефть. Используя систему Siplink, можно подключить 60-герцевую бортовую систему к 50-герцевой сети гавани. Передача электроэнергии на контейнеровоз среднего размера из системы электропитания гавани снижает выбросы углекислого газа на 12,6 метрической тонны в сутки, кроме того, не образуется значительный объем сажи и мелкой пыли, а также значительно снижается уровень шума.

Строим и бережем

Внедрением решений по энергоэффективности занимаются в том числе и подрядчики, которые привлекают энергетические и сетевые компании для строительства и ремонта своих мощностей. Александр Невейко рассказывает, что группа Е4 предлагает комплексные решения по строительству электростанций, а также налаживанию систем энергосбережения. «Есть предприятия, которые специализируются на проведении энергоаудита и энергообследований электростанций и промышленных предприятий. Е4 оценивает имеющийся потенциал энергосбережения, разрабатывает комплекс мер, позволяющих снизить энергозатраты путем оптимизации режимов работы оборудования, внедрения новых энергоэффективных технологий»,— говорит он. В частности, в НПО ЦКТИ создана специальная программа «Дополнительная мощность» по разработке нестандартных малозатратных, быстро реализуемых технических мероприятий, обеспечивающих повышение мощности действующего оборудования. «Наши предприятия внедряют самые передовые экологически чистые технологии водоподготовки. Это испарители мгновенного вскипания, мембранные технологии очистки воды. Наш институт ЦКТИ совместно с партнерами ВТИ, «Медиана-фильтр» ведут работу по оптимизации технологии снижения расхода электроэнергии на собственные нужды, снижению стоков»,— рассказывает господин Невейко.

Большой опыт по модернизации существующих электростанций есть у компании «Сименс». По данным компании, в одной только Германии до 2020 года необходимо заменить электростанции с общей мощностью 40 тыс. МВт, поскольку к этому времени они выработают свой ресурс, составляющий 40 лет. Модернизация существующих электростанций также предлагает много возможностей повышения эффективности работы и снижения уровня воздействий на окружающую среду. На электростанции в городе Фарге (Германия) в результате модернизации был увеличен КПД почти на 3%. В пересчете на полный баланс энергии это означает ежегодное снижение потребления угля на 40 тыс. тонн для производства такого же объема электроэнергии, что приводит к сокращению уровня выбросов CO2 на 100 тыс. тонн в год. Работающие на угле электростанции в 1900 году имели КПД 7%, в то время как современные имеют КПД до 47%. Это означает, что они при производстве 1 кВт ч электроэнергии потребляют 270 г угля и выбрасывают 700 г углекислого газа.

Дальнейшее повышение эффективности зависит прежде всего от двух составляющих — повышения давления и температуры пара и снижения потерь в пароводяном цикле. Предполагается, что к 2020 году коэффициент полезного действия превысит 50%.

Чтобы извлечь максимальную энергию из топлива, сжигаемого на электростанциях, которые работают на ископаемом топливе, эти электростанции должны работать в оптимальной с точки зрения термодинамики точке, кроме того, необходимо избегать ненужных операций пуска и остановки, считают в «Сименс». Решение компании в области информационных технологий Energy Management Suite (набор программ для управления энергией) помогает операторам эксплуатировать электростанции. Входящий в этот набор программный модуль Thermodynamics позволяет с помощью моделирования определить оптимальные параметры работы для обеспечения высокого КПД. Выбор оптимальной стратегии эксплуатации компонентов электростанции и использования диагностических систем и средств раннего обнаружения также повышает надежность электростанции в целом.

Модернизация предприятий энергетического комплекса

Такая ситуация характерна в том числе для России. За 160 лет работы в стране компания получила достаточное количество опыта, чтобы не бояться никаких кризисов. «Сименс» вкладывала инвестиции в российскую энергетическую сферу раньше и не собирается прекращать эту практику сейчас. Более того, по мнению руководителя департамента «Производство энергии и газ» «Сименс» в России Николая Ротмистрова, текущий момент оптимален для инвестиций в энергетику.

Используя свой многолетний опыт и знания, компания обеспечивает возможность улучшения ресурсоэффективности и безопасности энергетической инфраструктуры для российских партнеров. Проблема в том, что сейчас значительная часть генерирующего парка предприятий энергетического комплекса изношена (до 60% оборудования уже выработало свой ресурс), а та часть инфраструктуры, что базируется на старых паротурбинных агрегатах, имеет низкую эффективность.

В то же время цикл с использованием газа для генерации тепла и энергии, по мнению специалистов «Сименс», — наиболее оптимальный и эффективный. «Мы производим самые современные версии турбин, которые сейчас существуют на рынке, и предлагаем самое эффективное оборудование», — говорит руководитель департамента «Производство энергии и газ» «Сименс» в России Николай Ротмистров. Современное энергетическое оборудование постоянно совершенствуется сотрудниками компании, поскольку в «Сименс» уверены в том, что без инноваций и новых решений обойтись нельзя.

Текущие проекты

«Сименс» работает с различными предприятиями энергетического сектора России. Недавно был реализован уникальный для страны проект ПГУ-800 (парогазовая установка мощностью 800 МВт) на Киришской ГРЭС. Инженеры «Сименс» модернизировали энергоблок, добавив к существующей и действующей модернизированной паровой турбине две новые современные газовые турбины SGT5-4000F. Каждая такая турбина имеет мощность 279 МВт. Плюс ко всему к энергоблоку добавили два новейших котла-утилизатора. В результате КПД упомянутого энергоблока увеличился с 38% до 55%. Что интересно, удельный расход условного топлива снизился на 32%: с 324 г/кВтч до 220 г/кВтч.

Еще один крупный проект — это совместное соглашение «Сименс Технологии Газовых Турбин» и «Фортум» о долгосрочном техническом обслуживании Няганской ГРЭС — одной из самых передовых и современных ГРЭС в России. Няганская ГРЭС — еще и крупнейшая в северных широтах России тепловая электростанция, ее основа — три парогазовых энергоблока с суммарной мощностью в 1254 МВт. Для проекта строительства ГРЭС компания «Сименс» осуществила поставку силовых установок SCC5-4000F для всех трех блоков Няганской ГРЭС, состоящих из газовой турбины SGT5-4000F, паровой турбины SST5-3000, генератора SGen5-2000H и системы АСУ ТП SPPA-T3000.

«Сименс Технологии Газовых Турбин» (СТГТ) — это совместное предприятие «Сименс» и «Силовых машин», основанное в 2011 году. Основная продукция — газовые турбины SGT5-2000E и SGT5-4000F мощностью 187 и 329 МВт соответственно. Помимо производства и поставки энергетических газовых турбин компания осуществляет разработку турбин, реализацию проектов и сервисное обслуживание оборудования. Оборудование востребовано энергетическими компаниями России, и этому не приходится удивляться, поскольку текущие решения, предлагаемые «Сименс», модернизируют энергетическую инфраструктуру любого предприятия, что делает энергию доступнее для потребителей.

На площадке СТГТ в апреле этого года был открыт «Удаленный мониторинговый центр» (УМЦ), основная задача которого — обеспечение удаленной систематической диагностики работы газотурбинного оборудования электростанций. Оценка работы оборудования производится в том числе в режиме реального времени. Силами специалистов компании разработаны более 1000 математических моделей функционирования оборудования в разных режимах. В результате становится возможным предотвращать возникновение внештатных ситуаций работы ГТУ с одновременным сокращением сроков сервисного обслуживания и повышением надежности работы оборудования.

Для Няганской ГРЭС «Сименс» не только поставляет силовые установки для всех трех блоков станции, но и осуществляет дальнейшее сервисное обслуживание оборудования.

Сейчас суммарная мощность электростанций, где внедрено оборудование компаний, составляет 27,9 ГВт.

Почему именно газовые турбины?

Комбинация газовой турбины, паровой турбины и генератора с современной системой интеграции электростанции значительно повышает производительность электростанции, увеличивает надежность электроснабжения и снижает себестоимость электричества, делая его более доступным. Силовая установка SCC5-4000F обеспечивает эффективное и надежное энергоснабжение. Ее создание велось с учетом принципов устойчивого развития, ресурсоэффективности и защиты окружающей среды.

Так, выбросы отработанных газов сокращены при работе турбины до минимума. Все это стало возможным благодаря фирменной технологии сжигания топлива Hybrid Burner Ring (HBR) (кольцевая камера сгорания с гибридными горелками, обеспечивающая сниженное содержание окислов азота и влаги). На тепловой электростанции с оборудованием «Сименс» горячие отработанные газы турбины используются для генерации пара для паровой турбины, а не выбрасываются в окружающую среду.

Перспективы работы в России

Кроме Киришской и Няганской ГРЭС у «Сименс» в России есть еще ряд намеченных для участия проектов. Например, в Нижнекамске компания участвует в тендере ГК «ТАИФ» (холдинг контролирует 96% химической, нефтехимической и нефтегазоперерабатывающей отраслей Татарстана) на оснащение электростанции комбинированного цикла мощностью 500 МВт для «Нижнекамскнефтехима». Из недавних проектов можно вспомнить еще поставку оборудования для Южноуральской ГРЭС-2 и Верхнетагильской ГРЭС, входящих в «Интер РАО».

Турбины «Сименс», включая модель SGT-800, проектируются как для производства электроэнергии, так и для производства тепла, поэтому они оптимальны для российских условий. Параметры указанной турбины оптимальны для работы с котлами-утилизаторами, а значит, компания может осваивать и этот рынок.

Из планов на этот год можно отметить один из проектов, который был заморожен, но теперь снова перешел в фазу реализации. Речь идет о ТЭС в Грозном, сейчас этот проект «ожил». Компания «Сименс» сейчас является активным участником крупных проектов таких компаний, как «Газпром», «Роснефть», «Лукойл», «Новатэк».

Стратегия работы компании выполняется в соответствии с принципами устойчивого развития, защиты окружающей среды и ресурсоэффективности. «Сименс» фокусируется на дальнейшем внедрении своих инновационных решений в области производства и передачи электроэнергии, что соответствует «Энергетической стратегии России на период до 2030 года».

Неэффективность энергосистемы

Неэффективность энергосистемы

Прастути Сингх


15 декабря 2014 г.

Представлено как курсовая работа для Ph340, Стэнфордский университет, осень 2014 г.

Электросеть США представляет собой сложную сеть, состоящую из линии передачи, ответственные за распределение и передачу электроэнергия от электростанций до подстанций до потребителя, вы. Когда-то он считался одним из самых влиятельных инженерных сооружений. инновация 20 века, эта инфраструктура сейчас морально устарела.[1] С годами спрос на электроэнергию резко вырос. и система становится все более и более уязвимой к отключениям. это по оценкам, нынешняя система обходится США более чем в 70 миллиардов долларов. убытки каждый год. [2] Эта эффективность проявляется во многих отношениях, источник для распространения.

Когда электричество вырабатывается на электростанциях, оно должны быть доставлены потребителям. Эта передача и распространение осуществляется с использованием сети передачи высокого напряжения и подстанций.Как правило, потеря энергии составляет 6-8% из-за сопротивления провода электропередачи и электрооборудование. Это может не показаться значительный, но с годовой чистой выработкой 3,9 млрд МВтч, 6% представляет собой убытки почти в 19,5 миллиардов долларов. Еще одна потеря эффективности в передача и распространение вызваны перегрузкой, которая возникает когда нормальный поток электричества нарушается из-за ограничений устройства или правила техники безопасности. Это требует альтернативного источника энергии, например, генератор, который может быть экономически неэффективным.это по оценкам, затраты на перегрузку могут составлять 7-10% от чистой генерации. An Дополнительным источником неэффективности являются заводы, требующие бесперебойной работы (RMR). Это генерирующие установки, которые необходимо использовать, потому что их мощность необходимо для поддержания уровня напряжения. Эти растения часто старше и менее эффективен, что ведет к большей неэффективности. [3]

Научно-исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) по оценкам, восстановление энергосистемы будет стоить 10-13 миллиардов долларов в год. на следующие 10 лет.Это на 65% больше, чем сейчас инвестировал в отрасль. Однако существуют менее дорогостоящие меры: как исследования, так и внедрение, которые могут значительно снизить энергопотребление неэффективность сети. Многие линии передачи в настоящее время полагаются на линии передачи переменного тока (HVAC), но постоянного тока (HVDC) представляют на 25% меньшие потери в линии и в несколько раз больше мощности переменного тока линий. К сожалению, они традиционно были только рентабельными. для больших расстояний, но последние технологические достижения сделали HVDC линии намного практичнее.Еще один способ увеличить линейную передачу — с устройствами гибких систем передачи переменного тока (FACTS), которые увеличивают емкость линий переменного тока на 20-40% за счет стабилизации напряжения без увеличение количества отказов. [3] Конечно, устройства FACTS станут менее полезны, поскольку линии HVAC заменены линиями HVDC. Пожалуй, самый говорили об инновациях в электросетях — Smart Grid. Умная сеть означает расширение существующей электросети датчиками, которые реле используют данные в центральный центр управления, который затем может регулировать спрос, как необходимо для отключения электроэнергии для несрочных устройств и использования.Этот интеграция выровняла бы потребление электроэнергии, сохранив энергию. [4] Smart Grid также позволит потребителям контролировать потребление энергии и получить доступ к статистике об устройствах, которые они используют, чтобы лучше направлять свои использовать. Кроме того, Smart Grid обеспечит бесшовную интеграцию возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра, солнечная энергия и электрическая автомобили в электросеть. Это особенно важно для будущего поскольку возобновляемые источники энергии становятся все более популярными.[2]

© Prastuti Singh. Автор дает разрешение копировать, распространять и отображать эту работу в неизменном виде, с указание на автора, только в некоммерческих целях. Все остальные права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

Список литературы

[1] Г. Констебл и Б. Сомервилл, г. Инновации: инженерия, изменившая нашу жизнь , (Джозеф Генри Press, 2003).

[2] М. Амин и П. Шеве, «Предотвращение Отключение электроэнергии: создание более разумной энергосистемы, «Scientific American», 13. 8 августа

[3] «Энергия Эффективность в энергосистеме., ABB Inc, 2007.

[4] Д. Линдли, «Умные сети: хранение энергии» Проблема, Природа 463 , 18 (2010).

Power Generation Efficiency — обзор

1 Введение

Когда закончилась Вторая мировая война и войска вернулись домой с европейских и тихоокеанских театров военных действий, Соединенные Штаты стали единственной сверхдержавой с неповрежденной экономикой.«Арсенал демократии» производил танки, пушки, джипы, грузовики, самолеты и авиационные двигатели, а также, казалось бы, бесконечные запасы боеприпасов, медикаментов и других предметов войны. Этот «Арсенал демократии» теперь был готов удовлетворить отложенный потребительский спрос на автомобили, дома, бытовую технику и другие товары, которые не были доступны во время депрессии и недоступны во время войны. Распределение ресурсов во время войны, таких как сталь, резина (например, для шин) и т. Д., Только увеличивало отложенный спрос.А заработная плата военного времени послужила основанием для спроса. Исчезла потребность в «Садах Победы». Исчезла необходимость откладывать многие покупки.

Экономический рост продолжался в течение трех десятилетий 1945–1975 годов. Некоторые незначительные спады действительно произошли; однако в целом экономика развивалась здоровыми темпами. Это был период, который включал в себя план Маршалла, чтобы помочь Европе оправиться от войны, блокаду Берлина со стороны СССР и прорыв блокады воздушными каплями продовольствия и топлива, корейский конфликт / войну, рост мирного времени в годы президента Эйзенхауэра. , значительное снижение налогов президентом Кеннеди и война во Вьетнаме, включая бюджет президента Джонсона «Оружие и масло».Как показано в главе 1, спрос на электроэнергию продолжал расти значительными темпами (см. Главу 1, рис. 1.8). На самом деле это был период наиболее резкого роста спроса на электроэнергию. Электроэнергетические компании, принадлежащие инвесторам и находящиеся в государственной собственности, и их поставщики справились с проблемами увеличения поставок электроэнергии с помощью технологических достижений, предвестников которых явились событиями начала XX века и множеством дополнительных технологических прорывов.

Период 1945–75 гг. Был отмечен в электроэнергетике, где основное внимание уделялось повышению эффективности производства электроэнергии.Как обсуждалось в главе 2, экологическое движение только начало набирать обороты после принятия следующих основных экологических законов и действий, влияющих на отрасль производства электроэнергии:

Закон о чистом воздухе (CAA) от 1963 г. (с поправками 1965 г., 1966, 1969 и 1970 в течение этого периода времени)

Закон о национальной экологической политике (NEPA) 1969 года

Создание Агентства по охране окружающей среды США (USEPA) указом президента Ричард Никсон в 1970 г.

Расширение Закона о чистом воздухе 1970 г., устанавливающее Национальные стандарты качества окружающего воздуха (NAAQS) и Стандарты производительности новых источников (NSPS)

Федеральный контроль за загрязнением воды Поправки к Закону 1972 года

Этот период для данной главы частично совпадает с главами 6 и 7 Глава 6 Глава 7: 197 0–2000.Перекрытие вызвано тем фактом, что в этой главе основное внимание уделяется повышению производительности и эффективности, тогда как в главах 6 и 7, глава 6, глава 7 основное внимание уделяется экологическому движению и его последствиям для проектирования электростанции — либо с модификациями существующей технологии котлов / парогенераторов, либо с разработка совершенно новых технологий (например, котлов с псевдоожиженным слоем или электростанций с комбинированной газификацией и комбинированным циклом). Котлы, запущенные в период 1971–75 годов, были фактически спроектированы в конце 1960-х годов до принятия Закона о расширении чистого воздуха 1970 года и последующих нормативных актов, влияющих на производство электроэнергии.

Влияние повышения температуры воздуха на допустимую нагрузку на электрическую передачу и пиковую электрическую нагрузку в США

Изменение климата может ограничить адекватность электроснабжения в будущем за счет снижения пропускной способности и увеличения спроса на электроэнергию. Грузоподъемность силовых кабелей снижается при повышении температуры окружающего воздуха; аналогично, в летний пиковый период нагрузки на электроэнергию обычно возрастают с повышением температуры воздуха из-за увеличения использования кондиционеров.По мере увеличения концентрации углерода в атмосфере более высокие температуры окружающего воздуха могут создавать нагрузку на энергетическую инфраструктуру, одновременно снижая пропускную способность и увеличивая пиковую электрическую нагрузку. Мы оцениваем влияние повышения температуры окружающего воздуха на пропускную способность линии электропередачи и пиковую нагрузку на электроэнергию на душу населения для 121 района планирования в Соединенных Штатах, используя масштабированные прогнозы глобальной климатической модели. Вместе эти области планирования составляют примерно 80% текущей пиковой нагрузки в летнее время.Мы оцениваем снижение пропускной способности линий электропередач, связанное с климатом, путем построения тепловых моделей типичных проводов и последующего использования этих моделей с прогнозами температуры в будущем для определения процентного изменения номинальной допустимой нагрузки. Затем мы оцениваем влияние изменения климата на электрическую нагрузку, используя исторические зависимости между температурой окружающей среды и летней пиковой нагрузкой в ​​масштабе коммунального предприятия, чтобы оценить, в какой степени изменение климата повлечет за собой дополнительное увеличение пиковой нагрузки.Мы обнаружили, что к середине века (2040–2060 гг.) Повышение температуры окружающего воздуха может снизить среднюю пропускную способность в летнее время на 1,9–5,8% по сравнению с базисным периодом 1990–2010 годов. В то же время пиковые нагрузки на душу населения в летнее время могут возрасти в среднем на 4,2–15% из-за повышения температуры окружающего воздуха. В отсутствие повышения энергоэффективности, программ управления спросом и модернизации инфраструктуры передачи такое увеличение нагрузки может опровергнуть текущие предположения об адекватности поставок электроэнергии в будущем.

Глоссарий

Изменение климата может негативно повлиять на адекватность электроснабжения за счет сокращения генерирующих и передающих мощностей при одновременном увеличении спроса на электроэнергию. Экстремальная жара и засуха могут снизить мощность производства электроэнергии [1–3], ограничить допустимую токовую нагрузку (допустимую нагрузку) линий электропередачи [3] и увеличить пиковые электрические нагрузки [3, 4]. По мере увеличения концентрации углерода в атмосфере ожидается, что явления экстремальной жары и засухи будут происходить с большей частотой, а это означает, что энергетическая инфраструктура может подвергаться большей нагрузке на более длительные периоды времени [5].Будущие засушливые условия могут ограничить выработку электроэнергии на электростанциях с «базовой нагрузкой», которые требуют постоянной подачи воды для охлаждения [1, 2, 6–9]. Точно так же сильная жара может снизить выходную мощность источников пиковой генерации, таких как газовые турбины, которые становятся менее эффективными при уменьшении плотности воздуха [1, 3], и фотоэлектрические солнечные элементы, которые теряют эффективность при высоких температурах воздуха из-за повышенной рекомбинации носителей заряда. ставки [10]. К середине века изменения климата могут снизить уязвимые генерирующие мощности на западе США на целых 1 ед.1–3,0% в среднем за год и до 7,2–8,8% при десятилетнем сценарии засухи [1]. Хотя такое сокращение мощности само по себе является значительным, воздействие на производство электроэнергии, вероятно, произойдет наряду с воздействием на передачу электроэнергии и спрос. Повышенная температура воздуха может снизить номинальную пропускную способность линий электропередачи, а это означает, что их способность передавать мощность будет снижена в часы пик. Более высокие температуры могут также увеличить электрическую нагрузку для кондиционирования воздуха в летний период, и хотя только половина коммунальных предприятий США испытывает пиковые летние нагрузки летом, совокупность этих коммунальных служб создает общенациональную пиковую нагрузку, которая летом выше, чем в другие периоды года, тем самым указывая на лето как на период, представляющий интерес при рассмотрении уязвимости общенациональной транспортной инфраструктуры к повышению температуры окружающего воздуха [11, 12].Противоположный эффект может наблюдаться в другие периоды года с другими моделями энергопотребления, например, в более холодных регионах с электрическим резистивным отоплением или электрическими тепловыми насосами в зданиях, которые создают годовой пик нагрузки зимой, а не летом [13], и этот пик может уменьшаться при повышении температуры окружающей среды зимой [12]. Тем не менее, в летний период повышение температуры окружающей среды оказывает совпадающее воздействие на производство и передачу электроэнергии, а также на пиковую нагрузку, что может привести к более уязвимой электросети в некоторых регионах США.Традиционно анализ рисков для электроэнергетических систем принимает форму вероятностных методов, основанных на исторических условиях [14]. В будущем, характеризующемся изменением климатических условий, повышенной сложностью сети и повышенной эксплуатационной «взаимосвязанностью», этого подхода может быть недостаточно для защиты от сбоев и других сбоев в работе сети [14, 15]. Неспособность учесть влияние изменения климата на электрическую сеть может оставить региональные органы планирования неподготовленными к будущему дефициту электроэнергии.

Влияние изменения климата на общую надежность электроэнергии еще предстоит полностью изучить. Однако возможно, что рост электрических нагрузок в сочетании с уменьшением выработки электроэнергии и / или пропускной способности линии сузит диапазон эксплуатационной стабильности и безопасности. В общих чертах, адекватность электроснабжения может быть описана как функция трех факторов: (1) достижимая генерирующая мощность, (2) мощность передачи и распределения и (3) ожидаемая пиковая нагрузка. В то время как предыдущие исследования оценивали воздействие климата на каждый из этих компонентов по отдельности, до сих пор оказалось трудным оценить, как комбинированные воздействия на генерацию, передачу и пиковую нагрузку могут повлиять на общую адекватность электроснабжения.Оценка адекватности электроснабжения в будущем осложняется множеством факторов, включая нестационарность климата, избыточность системы, правила энергосистемы и отраслевые нормы. Однако основным препятствием для оценки адекватности поставок электроэнергии в будущем является тот факт, что воздействия на производство, передачу и спрос оценивались в различных местных и региональных масштабах, но не оценивались в масштабе, необходимом для оценки на уровне сети. В нескольких исследованиях оценивалось потенциальное воздействие изменения климата на производство электроэнергии на национальном уровне, в масштабах межсетевых и суб-межсетевых соединений [1–3].Однако допустимая мощность передачи и пиковая электрическая нагрузка также играют важную роль в определении общей достаточности электроснабжения региона. Хотя влияние температуры окружающей среды на электрическую пропускную способность давно признано, поставщики электроэнергии обычно оценивают допустимую нагрузку на систему, используя исторические температурные профили [16, 17]. Sathaye и др. [3] используют результаты глобальной климатической модели (GCM), чтобы охарактеризовать влияние изменения климата на передающую инфраструктуру в Калифорнии, и обнаруживают, что пропускная способность передачи может быть снижена на 7-8% к концу 20-го века. первый век [3].Однако, насколько нам известно, нет исследований, которые оценили бы влияние повышения температуры на пропускную способность по всей стране.

В нескольких недавних исследованиях была проведена оценка потенциального воздействия изменения климата на потребление энергии. Однако эти исследования, как правило, не позволяют спрогнозировать потенциальные последствия для адекватности электроснабжения по ряду причин: (1) они сосредоточены на увеличении годового потребления энергии зданием (т.е.МВтч), в отличие от мгновенной пиковой нагрузки (т.е. MW), (2) они используют пространственную протяженность или разрешение, которое не масштабируется до оценки уровня межсетевого взаимодействия, или (3) они используют предполагаемое повышение температуры, в отличие от пространственно явных проекций GCM. Почти все предыдущие исследования сосредоточены на воздействии климата на годовое потребление энергии в здании, а не на пиковую электрическую нагрузку [4]. В нескольких исследованиях оцениваются изменения годового спроса на энергию в зданиях в национальном масштабе [18–23]; другие сосредоточены на конкретном регионе [24], используя более мелкомасштабные данные о температуре и инфраструктуре [24].Хотя эти исследования помогают предсказать увеличение нагрузки на первичную энергию в результате изменения климата, они не показывают, как изменение климата повлияет на мощность, необходимую в периоды пиковой нагрузки. Франко и Санстад [25] и Sathaye и др. [3] оценивают влияние климата на пиковую нагрузку в Калифорнии. Однако с точки зрения электрической инфраструктуры Калифорния не является изолированной системой и для удовлетворения спроса полагается на передачу электроэнергии между штатами [26]. Таким образом, воздействие на инфраструктуру периода пиковой нагрузки в Калифорнии не обязательно отражает общую достаточность электроснабжения в масштабе межсетевого взаимодействия.В [27] исследуются пространственно явные изменения в электрической нагрузке в масштабе квартала с использованием результатов низкоуровневой климатической модели с высоким разрешением в юго-восточной части США. Диркс и др. [4] используют детализированную энергетическую модель здания для оценки воздействия климата на пиковую электрическую нагрузку в Восточной межсетевой линии с использованием одного сценария климатической модели [4]. Однако, насколько нам известно, комплексной оценки воздействия пиковых нагрузок в национальном масштабе при ряде возможных сценариев изменения климата не проводилось.Из-за относительного отсутствия исследований по пиковому спросу и влиянию передачи в масштабе межсетевых соединений, остается много неизвестного относительно воздействия изменения климата на надежность электроэнергии. Чтобы восполнить эти пробелы в знаниях, мы оцениваем влияние на пропускную способность электроэнергии и пиковые нагрузки на душу населения в летнее время в континентальной части США.

Мы оцениваем влияние изменения климата на (а) номинальную допустимую нагрузку линий электропередачи и (б) ожидаемую пиковую нагрузку на электроэнергию на душу населения в летнее время для 121 зоны планирования электроснабжения по всей территории США.Вместе эти зоны планирования обеспечивают около 650 ГВт электроэнергии [28] — около 80% текущей пиковой нагрузки в летнее время в США [29]. Наш анализ состоит из двух частей. На первом этапе мы оцениваем обусловленное климатом снижение пропускной способности воздушных линий электропередачи путем построения тепловых моделей репрезентативных проводников и использования этих моделей с прогнозами температуры (с 2010–2100 гг.) Для определения относительного изменения безопасной эксплуатационной допустимой нагрузки. На втором этапе мы характеризуем влияние климата на электрическую нагрузку, используя исторические зависимости между температурой окружающей среды и пиковой нагрузкой на душу населения в летнее время, чтобы оценить степень, в которой изменение климата может повлечь за собой дополнительное увеличение нагрузки.Чтобы учесть изменчивость прогнозов GCM, мы используем выходные данные 11 различных моделей GCM с 2–3 сценариями репрезентативного пути концентрации (RCP) для каждой модели. После оценки связанных с климатом воздействий как на передачу электроэнергии, так и на нагрузку, мы обсуждаем, как сокращение выбросов углерода в атмосфере, термостойкие проводники и технологии интеллектуальных сетей могут смягчить воздействие повышения температуры воздуха на инфраструктуру в пиковый период электроэнергии.

2.1. Оценка воздействия климата на мощность передачи электроэнергии

Мы оцениваем влияние изменения климата на мощность передачи электроэнергии, разрабатывая тепловые модели типичных электрических кабелей передачи, а затем применяя эти модели с уменьшенными прогнозами температуры на период 2010–2100 годов.У электрических силовых кабелей снижается пропускная способность при повышении температуры жилы [30]. Часть этих потерь емкости происходит из-за повышенного электрического сопротивления при более высоких температурах проводника [30]. Однако допустимая нагрузка на линию электропередачи в первую очередь ограничивается максимально допустимой рабочей температурой проводника [30]. Максимальные рабочие температуры предписаны для различных типов проводов, чтобы (а) обеспечить соблюдение правил зазора и (б) предотвратить повреждение проводника и другого оборудования линии [16].Для типичного кабеля с алюминиевым проводником, армированного сталью, допустимые температуры могут находиться в диапазоне от 50 ° C до 180 ° C в зависимости от продолжительности теплового воздействия, а также инженерных практик и оценок [30]. Продолжение эксплуатации при превышении максимальной рабочей температуры проводника может привести к чрезмерному провисанию или повреждению [30]. Чтобы избежать превышения максимальной рабочей температуры линии передачи, операторы обычно ограничивают ток в опасном проводнике, чтобы соблюдались тепловые ограничения [3, 30]. Таким образом, силовым кабелям обычно присваивается «номинальная допустимая нагрузка», которая представляет собой максимальный ток, при котором соблюдаются пределы температуры проводника при стандартной температуре окружающей среды и ветровых условиях [3, 30].Повышение температуры воздуха из-за антропогенного глобального потепления может снизить эффективную пропускную способность линий электропередачи, нарушив их способность рассеивать тепло [30]. Чтобы измерить возможное снижение допустимой нагрузки при изменении климатических условий, мы разрабатываем модель теплового баланса для оценки номинальной допустимой нагрузки линий электропередачи на основе свойств кабеля и метеорологических воздействий. Затем мы используем эту модель теплового баланса с прогнозами будущих температур, чтобы определить процентное изменение номинальной допустимой нагрузки для линий электропередачи в США.

Мы моделируем номинальную допустимую нагрузку на линии электропередач с использованием подхода энергетического баланса.

В условиях установившегося состояния (и отсутствия проводимости) баланс энергии проводника может быть разделен на четыре компонента теплопередачи: (1) тепловыделение от электрического тока протекающий через проводник, (2) приток тепла от солнечного излучения, падающего на верхнюю половину поверхности проводника, (3) потери тепла из-за конвекции, и (4) потери тепла из-за излучения [30]. В условиях, общая теплопередача в проводник должна равняться общей теплопередаче из проводника

Прирост тепла за счет электрической нагрузки (известный как джоулев нагрев) является функцией тока, передаваемого через проводник ( I ), и сопротивление проводника при заданной температуре проводника, [30]

Изменение теплового баланса дает максимально допустимый ток (номинальную допустимую нагрузку) в качестве зависимой переменной

In expand В такой форме номинальная допустимая нагрузка на воздушный провод может быть выражена через погодные условия окружающей среды (температура и скорость ветра), солнечную инсоляцию и свойства кабеля (диаметр, площадь поверхности и свойства материала).Полный вывод см. В разделе 1.1.1 документа с дополнительной информацией (SI)

, где — средний коэффициент теплопередачи, — диаметр кабеля, — температура окружающего воздуха, — коэффициент излучения поверхности проводника, — величина Стефана. –Постоянная Больцмана, — падающее солнечное излучение, — поглощающая способность поверхности проводника.

Мы применяем модель теплового баланса к существующим и предлагаемым линиям электропередачи в Соединенных Штатах, чтобы спрогнозировать относительное снижение номинальной допустимой нагрузки в будущих климатических условиях.Мы используем базу данных Программы инфраструктуры национальной безопасности (HSIP) для определения местоположения, геометрии и классов напряжения как для существующих, так и для предполагаемых линий электропередачи [31]. Этот набор данных включает 50 822 существующих и 1184 предлагаемых высоковольтных линий электропередачи на всей территории США. Типовые модели кабелей создаются для каждого стандартного класса напряжения (69, 138, 230, 345 и 525 кВ) на основе заявленных характеристик проводников (см. Раздел 1.1.3 SI). Данные производителя используются для определения соответствующих проектных спецификаций для модельных кабелей, таких как диаметр проводника и сопротивление переменному току [32–34].Мы используем максимально допустимую температуру проводника 75 ° C, типичную скорость ветра 0,61 мс –1 , перпендикулярную оси проводника, и интенсивность солнечной инсоляции 1000 Вт м –2 для представления условий полного солнца по стандарту. Протоколы расчета допустимой нагрузки, используемые производителями для оценки допустимой нагрузки алюминиевых проводников, армированных сталью (ACSR) (наиболее распространенный тип проводников, используемый в настоящее время) [32–35]. Хотя средняя солнечная инсоляция варьируется в зависимости от географического местоположения, мы используем фиксированное значение солнечной инсоляции 1000 Вт · м -2 для (i) оценки допустимой нагрузки в условиях «наихудшего случая» (полное солнце) и (ii) для поддержания согласованности с существующие протоколы определения допустимой нагрузки.Мы не моделируем долгосрочные изменения скорости ветра, поскольку не ожидается, что скорость ветра в континентальной части США существенно изменится в результате изменения климата (см. Раздел 2.5 SI), хотя следует отметить, что влияние изменения климата о скорости континентального ветра до сих пор ведутся споры. В нашем базовом сценарии мы предполагаем, что технологии проводников, используемые для предлагаемых кабелей, будут аналогичны технологиям, используемым для существующих кабелей. Однако внедрение более термостойких проводников, таких как проводники с алюминиевыми проводниками и стальными опорами (ACSS), может помочь смягчить удары, вызванные повышением температуры воздуха.Эффект от использования более термостойких проводов исследуется в разделе 2.3 SI. Другие предполагаемые параметры, используемые в тепловой модели (включая коэффициент излучения и поглощающую способность), можно найти в таблице SI S3.

Модель теплового баланса выполняется с ежедневным временным шагом (с использованием максимальной суточной температуры) для определения уменьшения номинальной допустимой нагрузки между историческими и будущими сценариями. Для исторического периода мы используем тепловую модель с привязанными к сетке данными о наблюдаемых суточных максимумах температуры за 1990–2010 гг. [36].Температурные воздействия, включенные в этот набор данных, получены со станций совместных наблюдателей Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA), которые привязаны к координатной сетке с пространственным разрешением 1/8 градуса (примерно 12 км) с использованием алгоритма системы синергетического картирования (SYMAP) [37 , 38]. Для будущего периода мы используем уменьшенные данные о суточных максимумах температуры из многомодельного ансамбля ГКМ проекта взаимного сравнения связанных моделей Фаза 5 (CMIP5) [39]. CMIP5 — это последняя итерация проекта CMIP, цель которого — разработать стандартизированный протокол для сравнения результатов связанных моделей общей циркуляции атмосферы и океана.Прогнозируемые данные о температуре от GCM привязаны к сетке с пространственным разрешением 1/8 градуса с использованием построенного аналогового метода уменьшения масштаба со скорректированным смещением. Данные о температуре присоединяются к каждому кабелю передачи в наборе данных HSIP в зависимости от пространственного положения. Чтобы охватить диапазон возможных вариантов будущего, мы используем RCP 2.6, 4.5 и 8.5 RCP, предложенные Межправительственной группой экспертов по изменению климата. Эти сценарии предписывают ожидаемые диапазоны антропогенного потепления, основанные на расходящихся тенденциях в концентрациях углерода в атмосфере, и обеспечивают основу для измерения воздействия изменения климата при различных социальных, технических и политических сценариях.Конкретные сценарии GCM и RCP, использованные в этом исследовании, показаны в таблице 1.

Таблица 1. Глобальные климатические модели, выбранные из многомодельного ансамбля проекта по взаимному сравнению связанных моделей (CMIP5), для использования в этом исследовании. Группа моделирования, ответственная за каждую модель GCM, показана в крайнем левом столбце, а включенные сценарии репрезентативного пути концентрации (RCP) показаны в крайнем правом столбце. Член ансамбля r1i1p1 используется для всех моделей GCM.

Включено
Группа моделирования GCM модель сценариев RCP
Канадский центр климатического моделирования и анализа Трость ESM2 2.6, 4.5, 8.5
Национальный центр атмосферных исследований CCSM4 2,6, 4,5, 8,5
Сообщество участников модели системы Земля CESM1-BGC 4,5, 8,5
Национальный центр метеорологических исследований / Европейский центр исследований и образования Avancée en Calcul Scientifique CNRM-CM5 4,5, 8,5
Организация Содружества по научным и промышленным исследованиям в сотрудничестве с Квинслендским центром передового опыта в области изменения климата CSIRO-Mk3.6,0 2,6, 4,5, 8,5
Лаборатория геофизической гидродинамики NOAA GFDL-ESM2G 2,6, 4,5, 8,5
Лаборатория геофизической гидродинамики NOAA GFDL-ESM2M 2,6, 4,5, 8,5
Institut Pierre-Simon Laplace IPSL-CM5A-MR 2,6, 4,5, 8,5
Институт исследований атмосферы и океана (Токийский университет), Национальный институт экологических исследований и Японское агентство морских и земных наук и технологий MIROC5 2.6, 4.5, 8.5
Институт метеорологии Макса Планка MPI-ESM-LR 2,6, 4,5, 8,5
Институт метеорологии Макса Планка MPI-ESM-MR 2,6, 4,5, 8,5

2.2. Оценка увеличения пиковой нагрузки на душу населения из-за повышения температуры воздуха

Изменение климата может вызвать нагрузку на энергетическую инфраструктуру из-за увеличения нагрузки в летний пиковый период. В летние месяцы электрическая нагрузка обычно увеличивается с повышением температуры воздуха из-за увеличения использования кондиционеров [3, 40].Ожидается, что в континентальной части США среднесуточные максимальные летние температуры увеличатся на целых 1–5 ° C к середине столетия [39]. В отсутствие программ повышения энергоэффективности зданий и управления нагрузкой эти более высокие температуры, вероятно, приведут к более высокой нагрузке на душу населения в регионах с пиковым летним периодом, где использование кондиционирования воздуха тесно связано с температурой окружающего воздуха. Мы моделируем потенциальное увеличение пиковой нагрузки электроэнергии на душу населения в летнее время для 121 уникальной зоны планирования (включая 1044 отдельных розничных поставщиков электрических услуг) в Соединенных Штатах на основе исторических взаимосвязей между температурой воздуха и нагрузкой.На эти зоны планирования приходится около 650 ГВт летней нагрузки (или около 80% пиковой летней нагрузки в Соединенных Штатах). Чтобы оценить потенциальное увеличение нагрузки на душу населения в соответствии с будущими климатическими сценариями, мы сначала разрабатываем регрессионные отношения между пиковой суточной нагрузкой на душу населения и максимальной дневной температурой, используя исторические данные о населении, нагрузке и температуре. Затем мы форсируем эти регрессионные модели с прогнозируемыми данными температуры из многомодельного ансамбля GCM CMIP5.

Поскольку среднегодовая нагрузка на электроэнергию зависит от населения [3], необходимо устранить эффект роста населения, прежде чем можно будет наблюдать взаимосвязь между температурой и пиковой нагрузкой.С этой целью мы оцениваем пиковую нагрузку на электроэнергию на душу населения для зон планирования с использованием заявленных почасовых нагрузок вместе с оценками населения по данным переписи населения США. Часовые нагрузки с 1993 по 2010 годы определены для основных зон электрического планирования с использованием формы 714 Федеральной комиссии по регулированию энергетики (FERC) [41]. Затем оценки численности населения генерируются для каждой зоны планирования с использованием оценок численности населения на уровне переписных участков за 1990, 2000 и 2010 годы [42–44]. Участки переписи пространственно присоединены к пересекающим их участкам планирования.Мы используем файлы границ участков переписи из базы данных Топологически интегрированного географического кодирования и привязки (TIGER / Line) Бюро переписи населения [45–47], а также границы зон розничных электрических услуг из базы данных HSIP GIS [28], которые объединены в соответствующие им данные. планировочные площадки. Население в каждой зоне планирования принимается как сумма населения участков переписи, которые пересекают эту зону планирования. Затем рассчитывается нагрузка электроэнергии на душу населения для каждой области планирования на период 1993–2010 гг. Путем объединения данных о населении и почасовой нагрузки, полученных на предыдущих этапах.Следует отметить, что социально-экономические факторы, такие как валовой внутренний продукт, доход домашних хозяйств и цены на электроэнергию, также могут влиять на электрическую нагрузку [48–50]. При прогнозировании общей электрической нагрузки в соответствии с будущими сценариями (особенно на короткий период времени) иногда необходимо принимать во внимание эти факторы. В этом исследовании мы не учитываем изменения социально-экономических показателей по двум основным причинам: (1) эти социально-экономические показатели не могут быть осмысленно спроецированы на временной горизонт 35–85 лет, используемый в этой статье, и (2) мы в первую очередь заинтересованы в том, чтобы изолировать предельное увеличение нагрузки на душу населения в связи с долгосрочными изменениями температуры воздуха, а не абсолютную будущую электрическую нагрузку.В этой формулировке социально-экономические факторы появляются как часть вариации функции реакции температуры-нагрузки. Точно так же технологические изменения, такие как повышение энергоэффективности здания или насыщение рынка кондиционерами, также могут повлиять на функцию реакции температуры-нагрузки. Повышение температуры может, например, способствовать внедрению кондиционеров в регионах, где их использование было исторически более ограниченным [51]. Мы признаем, что возможны изменения, выходящие за рамки того, что мы оцениваем в нашей модели, и более подробно обсуждаем эти источники неопределенности в разделе 4.

После оценки нагрузки на душу населения для основных районов планирования в США, исторические данные о температуре используются для построения уравнений регрессии температурной нагрузки, которые затем сопоставляются с прогнозируемыми данными температуры для определения ожидаемых изменений пиковой нагрузки на душу населения в летнее время при будущие климатические условия. Исторические данные о максимальной суточной температуре с привязкой к сетке сначала назначаются каждой области планирования с помощью пространственного объединения [36]. Для планирования территорий с одним городским районом используются данные о температуре, ближайшей к центроиду городской зоны.Для зон планирования, содержащих несколько городских территорий, процесс визуализации типичной ячейки температуры происходит в два этапа: (1) собираются данные температуры с привязкой к центру тяжести каждой городской зоны и (2) средневзвешенная температура для создается вся площадь планирования, а веса определяются населением каждой городской зоны. После определения репрезентативных температур для каждой области планирования на период 1993–2010 гг. Регрессионные зависимости между максимальной дневной температурой и суточной пиковой нагрузкой устанавливаются для летнего пикового периода (июнь – август).Зависимости регрессии принимают форму квадратного уравнения с максимальной дневной температурой окружающей среды в качестве независимой переменной и пиковой нагрузкой на душу населения в качестве зависимой переменной

, где и являются эмпирически определенными коэффициентами. Квадратное уравнение выбрано для регрессионной модели, потому что оно хорошо подходит для большинства областей планирования (со средним коэффициентом 0,6 R 2 для 121 рассматриваемой области планирования), а также потому, что модели более высокого порядка могут привести к очень значительным результатам. большие нагрузки при экстраполяции за пределы исторического диапазона температур (SI раздел 2.4). Участки планирования с коэффициентом R 2 ниже 0,5 не включаются в результаты. Следует отметить, что, хотя это исследование развивает регрессионную зависимость между температурой окружающей среды и общей нагрузкой на душу населения, не вся электрическая нагрузка чувствительна к изменениям температуры воздуха. Зависимости регрессии, разработанные для каждой области планирования, основаны на уменьшенных прогнозах максимальной суточной температуры CMIP5 GCM для определения увеличения пиковой нагрузки на душу населения в летнее время в 21 веке [39].

К середине века (2040–2060 гг.) Повышение температуры воздуха может снизить пропускную способность в летнее время в среднем на 1,9–5,8% по сравнению с базисным периодом 1990–2010 гг. (При этом диапазон воздействий будет зависеть от модели GCM и сценария RCP. выбор). Такое снижение номинальной допустимой нагрузки может создать проблемы для органов планирования передачи, которые обычно проектируют инфраструктуру в период пиковой нагрузки на основе исторических условий. На рисунке 1 показаны карты ожидаемого снижения допустимой нагрузки на десятилетия в рамках сценария « средней » концентрации углерода в атмосфере (RCP 4.5). Воздействие на пропускную способность зависит как от географического положения, так и от технологии проводки. Снижение пропускной способности обычно является самым большим на рынке электроэнергии FERC Midcontinent (MISO), где средние дневные максимальные температуры в летнее время могут повыситься на целых 2–5 ° C. Напротив, линии электропередачи испытывают меньшее снижение допустимой нагрузки в прибрежных регионах, где повышение температуры более умеренное. Хотя воздействия различаются в зависимости от географического региона, ожидается, что почти все линии электропередачи в США испытают снижение допустимой нагрузки.Помимо географического положения, свойства проводов также играют роль в определении ожидаемых климатических воздействий на пропускную способность передачи. Как правило, пропускная способность высоковольтных линий снижается в большей степени, чем низковольтных линий. Это связано с тем, что высоковольтные линии обычно толще, что затрудняет отвод тепла. Хотя географические и технологические факторы играют роль в определении уязвимости линий электропередачи, снижение номинальной допустимой нагрузки наиболее чувствительно к повышению температуры окружающего воздуха.На рисунке 2 показаны гистограммы процентного снижения номинальной допустимой нагрузки за десять лет для трех сценариев концентрации углерода — RCP 2.6, 4.5 и 8.5. К середине столетия среднее сокращение пропускной способности составит от 1,9% –3,9% при сценарии с самой низкой концентрацией углерода (RCP 2.6) до 2,2–4,3% при сценарии средней концентрации углерода (RCP 4.5) и до 3,6–5,8% при сценарии средней концентрации углерода. сценарий с самой высокой концентрацией углерода (RCP 8.5). Этот результат предполагает, что воздействие на пропускную способность передачи может быть смягчено политическими усилиями по снижению концентрации углерода в атмосфере.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 1. Снижение пропускной способности по десятилетию, связанное с климатом (сверху слева направо: 2020, 2040, 2060, 2080). Цвета указывают на процентное снижение пропускной способности по сценарию среднего RCP 4.5 по сравнению с базисным периодом 1990–2010 годов. Для получения дополнительной информации о визуализации линий передачи см. Раздел SI 4.6.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 2. Гистограммы, показывающие процентное снижение пропускной способности за десять лет (сверху слева направо: 2020, 2040, 2060, 2080). Сценарии RCP (2.6, 4.5 и 8.5) обозначены соответствующими цветами (синим, желтым и красным). Горизонтальная ось представляет собой ячейки процентного снижения допустимой нагрузки, а вертикальная ось представляет количество линий передачи, попадающих в каждую ячейку.

Загрузить рисунок:

Стандартное изображение Изображение высокого разрешения

Повышение пиковой нагрузки на душу населения представляет, пожалуй, самую большую проблему, связанную с воздействием климата, на адекватность электроснабжения. К середине столетия пиковые летние нагрузки на душу населения могут вырасти в среднем на 4,2–15% из-за увеличения суточной максимальной температуры воздуха (с учетом диапазона изменчивости при выборе GCM и RCP). В отсутствие повышения энергоэффективности и программ управления спросом такое увеличение нагрузки может сузить диапазон безопасных условий эксплуатации, что указывает на большую уязвимость сети и снижение надежности.На рисунке 3 представлены карты летней пиковой нагрузки на душу населения по десятилетиям в рамках сценария RCP 4.5, а на рисунке 4 показаны временные ряды данных о летних пиковых нагрузках на душу населения для всех сценариев RCP за период 1990–2100 годов. Воздействие пиковой нагрузки сильно коррелирует со степенью повышения температуры воздуха. Для траектории с самой низкой концентрацией углерода (RCP 2.6) увеличение нагрузки до уровня нагрузки на душу населения к середине века составит примерно 4,2–9,2%, в то время как при сценарии с максимальной концентрацией углерода (RCP 8.5), нагрузки на душу населения могут вырасти на 7,9–15% к середине века и могут вырасти до 30% к 2100 году. Как и в случае воздействия на пропускную способность, увеличение нагрузки, обусловленное климатом, зависит от географического положения. Однако, в отличие от воздействия на пропускную способность, увеличение пиковой нагрузки не обязательно коррелирует со степенью повышения температуры. В целом, городские районы демонстрируют большее увеличение нагрузки, связанного с климатом, чем сельские районы. В густонаселенных штатах с большими пригородами, такими как Калифорния, Иллинойс, Техас и Нью-Йорк, наблюдается самый большой рост нагрузки, в то время как в малонаселенных штатах, таких как Вайоминг, Юта и Невада, наблюдается относительно небольшое увеличение нагрузки, несмотря на то, что они расположены в регионах. которые, как ожидается, получат потепление выше среднего.Этот эффект можно объяснить большей проницаемостью и плотностью кондиционирования воздуха в городских районах, где близость здания предотвращает пассивное охлаждение. Хотя увеличение пиковой нагрузки зависит от концентрации углерода в атмосфере и географического региона, ожидается, что общая пиковая нагрузка на душу населения будет увеличиваться для всех рассмотренных сценариев. Это обусловленное климатом увеличение пиковой нагрузки в настоящее время не учитывается многими органами планирования, а это означает, что инфраструктура запланированного периода пиковой нагрузки может не оптимально удовлетворять будущие потребности в электроэнергии.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 3. Связанное с климатом увеличение пиковой нагрузки на душу населения в летнее время для поставщиков электроснабжения в Соединенных Штатах по десятилетиям (сверху слева направо: 2020, 2040, 2060, 2080) ниже среднего RCP 4.5 сценарий. Цвета показывают процент увеличения пиковой нагрузки в летнее время по сравнению с базисным периодом 1993–2010 годов. Для получения дополнительной информации о визуализации зон коммунальных услуг см. Раздел 4 SI.6.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 4. Связанное с климатом увеличение пиковой нагрузки в летнее время по региону NERC (сверху слева направо: MAPP, SERC, ECAR, SPP, WECC и все континентальные Соединенные Штаты). Горизонтальная ось указывает год (1990–2100 гг.), А вертикальная ось указывает процент увеличения пиковой нагрузки на душу населения в летнее время по сравнению с базисным периодом 1993–2010 годов.Для справки, карта регионов NERC представлена ​​в разделе 4.7 SI. Прогоны отдельных моделей показаны в разделе 4.8 SI вместе с графиками временных рядов для всех регионов NERC.

Загрузить рисунок:

Стандартное изображение Изображение высокого разрешения

Воздействие климата на адекватность электроснабжения может зависеть от нескольких источников неопределенности, включая изменчивость климатической модели, неизвестные характеристики проводников и будущие технологические изменения. Хотя эти источники неопределенности могут повлиять на степень, в которой изменение климата ухудшает надежность электроснабжения, маловероятно, что произойдет сценарий, при котором пропускная способность не снижается или пиковая нагрузка на электроэнергию на душу населения не увеличивается.Вариабельность выходных данных модели GCM представляет собой самый большой источник неопределенности в этом исследовании. Между моделями GCM медианное влияние на пропускную способность варьируется от 1,7% (GFDL-ESM2M, RCP 2.6) до 5,6% (CANESM2, RCP 8.5) к середине века, в то время как увеличение нагрузки на электроэнергию находится в диапазоне примерно от 4,3% (GFDL-ESM2M). , RCP 2.6) до почти 15% (CSIRO-Mk3-6-0, RCP 8.5). Обратите внимание на то, что, хотя потери при передаче и нагрузке зависят от величины повышения температуры, верхняя граница ударов возникает при различных моделях GCM.Этот результат объясняется пространственной вариабельностью повышения температуры между моделями: воздействие на электрическую нагрузку зависит от изменений температуры в крупных населенных пунктах (неравномерно распределены), в то время как высоковольтные линии электропередачи распределены более равномерно, а это означает, что воздействия на передачу более значительны. отражает общее повышение температуры на континенте. Хотя воздействия широко варьируются между моделями GCM, эта изменчивость не влияет на основные выводы исследования: все модели предсказывают общее снижение пропускной способности и общее увеличение до пиковой нагрузки электроэнергии.Чтобы убедиться, что прогнозируемые воздействия не являются артефактом изменчивости модели GCM, мы проверяем значимость наших результатов с помощью критерия суммы рангов Вилкоксона (см. Раздел 2.1 SI). Установлено, что как мощность передачи, так и нагрузка на душу населения в значительной степени зависят от изменений климата ( p <0,001) для всех рассмотренных моделей GCM и сценариев RCP.

В дополнение к неопределенности модели GCM, мы также оцениваем несколько вторичных источников неопределенности, включая (1) выбор типичных проводящих кабелей, (2) выбор максимально допустимой температуры проводника, (3) выбор модели регрессии температуры-нагрузки и (4) потенциал будущих изменений скорости ветра.Выбор модели проводника имеет относительно незначительное влияние на снижение допустимой нагрузки, связанное с климатом (<1%), и вряд ли повлияет на первичные результаты этого исследования (см. Раздел 2.2 SI). С другой стороны, максимально допустимая температура проводника может существенно повлиять на снижение допустимой допустимой нагрузки в зависимости от температуры (см. Раздел 2.3 SI). При наиболее консервативной максимальной температуре проводника (75 ° C) снижение допустимой нагрузки составляет от 1,9% до 5,8% к середине столетия, в то время как для более допустимой максимальной температуры проводника (100 ° C) возможно снижение допустимой допустимой нагрузки с учетом климатических условий. из 1.1% –3,4%. В конечном итоге мы выбираем максимальную температуру жилы 75 ° C для кабеля ACSR, потому что это промышленный стандарт для непрерывной работы в нормальных условиях [35]. Однако следует отметить, что некоторых климатических воздействий на пропускную способность можно избежать, если позволить линиям электропередачи работать при более высоких температурах или установить более термостойкие кабели (например, ACSS). Поскольку проводники ACSS спроектированы так, чтобы выдерживать температуры 250 ° C без потери прочности [52], влияние повышения температуры окружающей среды на эти кабели сравнительно невелико.Помимо оценки неопределенных параметров проводника, мы также оцениваем чувствительность результатов к различным моделям регрессии температурной нагрузки (см. Раздел 2.4 SI). Мы исследуем три модели регрессии (линейную, квадратичную и кубическую) и обнаруживаем, что выбор модели регрессии может существенно повлиять на увеличение пиковой нагрузки электроэнергии, связанное с климатом. Воздействия довольно схожи в моделях линейной и квадратичной регрессии: ожидается, что к середине века пиковая нагрузка в летнее время увеличится примерно в 4 раза.2–13% при модели линейной регрессии и около 4,2–15% при модели квадратичной регрессии. Однако модель кубической регрессии предсказывает гораздо более сильные воздействия, чем другие модели регрессии, с ожидаемым увеличением пиковой нагрузки примерно на 11–40%. Этот результат следует из того факта, что полиномиальные модели высокого порядка имеют тенденцию предсказывать большие нагрузки при экстраполяции за пределы исторического диапазона температур. Все модели имеют одинаковое качество посадки, среднее значение R 2 равно 0.58, 0,6 и 0,6 для линейной, квадратичной и кубической моделей соответственно. Однако линейная модель показывает смещение на верхнем и нижнем концах температурного спектра, где функция реакции температуры-нагрузки имеет тенденцию демонстрировать нелинейное поведение. В конечном итоге мы выбираем модель квадратичной регрессии, потому что (i) она предлагает лучшее соответствие, чем линейная модель, (ii) она фиксирует исторические профили температурной нагрузки во всем диапазоне ожидаемых температур и (iii) она менее подвержена влиянию ошибки экстраполяции, чем кубическая модель.Допустимая нагрузка на проводник сильно зависит от скорости ветра, что позволяет предположить, что будущие изменения скорости ветра могут потенциально повлиять на ожидаемое снижение допустимой нагрузки. Однако, основываясь на оценке прогнозируемых скоростей ветра в многомодельном ансамбле CMIP3, мы обнаруживаем, что не ожидается значительных изменений скорости ветра в результате изменения климата (раздел 2.5 SI). Однако следует отметить, что влияние изменения климата на скорость ветра является предметом дискуссий, и различные исследования предсказывают глобальные тенденции увеличения скорости ветра [53], глобальные тенденции уменьшения скорости ветра [54], 1.Снижение скорости ветра на 4–4,5% по всей территории США в течение следующих ста лет [55], снижение скорости ветра во всем Западном регионе Высоких равнин США [56], никаких заметных изменений скорости ветра в США в течение следующих полувека [57] ], и небольшие изменения величины (± 0,1 мс −1 ) неопределенного знака на всей территории США [58].

Изменения социальных, экономических и технологических факторов также могут повлиять на степень, в которой изменение климата повлияет на общую адекватность электроснабжения. Например, на электрическую нагрузку влияет множество основных факторов, включая социально-экономические факторы, поведение населения и использование электроэнергии для коммерческой и промышленной деятельности.Если эти основные факторы потребления электроэнергии изменятся, возможно, изменится и пиковая нагрузка. Будущие технологические изменения, такие как модернизация проводов и повышение энергоэффективности зданий, представляют собой еще один серьезный источник неопределенности (раздел 2.6 SI). Однако, в отличие от моделей GCM или параметров токопроводящего кабеля, технологические изменения зависят от экономических, социальных и политических соображений, и поэтому их сложно измерить количественно. Замена существующего кабеля ACSR на термостойкий кабель ACSS дает возможность компенсировать почти все потери допустимой нагрузки, связанные с климатом.Однако неясно, является ли модернизация существующих кабелей ACSR экономически или политически жизнеспособной. Аналогичным образом, обзор литературы показывает, что модернизация программ энергоэффективности зданий и управления спросом может компенсировать практически все вызванные климатом увеличения нагрузки на электроэнергию (раздел 2.6 SI) — однако неясно, в какой степени эти выгоды действительно будет реализовано. Хотя социальные и технологические изменения могут оказать значительное влияние на результаты этого исследования, трудно оценить, какой уровень изменений может произойти.Таким образом, вместо того, чтобы пытаться охарактеризовать последствия социальных и технологических изменений как источник неопределенности, мы рекомендуем рассматривать эти изменения как потенциальную стратегию смягчения последствий, которую следует подробно рассмотреть в будущих исследованиях.

Хотя изменение климата может создать проблемы для электроэнергетической инфраструктуры в периоды пиковой нагрузки, его воздействие можно компенсировать за счет инициатив по снижению выбросов углерода, повторного использования перегруженных транспортных коридоров, повышения энергоэффективности зданий и новых технологий «умных сетей».Возможно, наиболее поразительным результатом этого исследования является степень корреляции воздействия на инфраструктуру с концентрацией углерода в атмосфере. Воздействие на пропускную способность в середине века при сценарии с высокими выбросами примерно на 74% выше, чем при сценарии с низким уровнем выбросов, в то время как воздействие на пиковую электрическую нагрузку примерно на 71% выше. Широкий диапазон воздействий между траекториями концентрации углерода предполагает, что политика ограничения выбросов углерода может иметь большое значение для предотвращения воздействия климата на надежность электроэнергии.Технологические усовершенствования также дают возможность смягчить воздействие на климат. Модернизация воздушных проводов (например, замена кабелей ACSR на более термостойкие кабели ACSS) может уменьшить снижение пропускной способности, связанное с климатом. Что касается спроса, инвестиции в программы повышения энергоэффективности зданий и реагирования на спрос могут компенсировать увеличение нагрузки из-за более высоких температур воздуха. Хотя эти изменения трудно предсказать с какой-либо количественной точки зрения, обзор литературы показывает, что расширение программ управления спросом может снизить будущую электрическую нагрузку в 4 раза.0–27% по сравнению с обычным сценарием (раздел 2.6.1 SI). Эти сокращения сопоставимы с обусловленным климатом увеличением нагрузки на электроэнергию (4,2–15%), а это означает, что инвестиции в программы повышения энергоэффективности зданий и реагирования на спрос могут эффективно нейтрализовать неблагоприятные последствия изменения климата для энергосистемы.

В дополнение к традиционным передовым методам предлагаемая технология « умных сетей » может позволить электросетям более гибко реагировать на климатические условия (раздел 2 SI.6.2). Развитие интеллектуальных сетей объединяет инфраструктуру передачи и распределения с информационными и коммуникационными технологиями, чтобы предоставлять передовые услуги энергосистемы [59], включая глобальные системы мониторинга для крупномасштабной оценки надежности и безопасности, динамические схемы ценообразования на основе реакции спроса и распределенные системы. развертывание накопителей энергии, электромобилей и возобновляемых источников энергии. Системы контроля температуры и провисания линий электропередач могут использоваться с усовершенствованными приводами и инфраструктурой маршрутизации электричества для направления электричества по линиям, которые менее подвержены нагрузкам из-за изменения температуры в пиковых условиях [60].Более того, благодаря системам динамической допустимой нагрузки, тепловые ограничения могут лучше отражать условия эксплуатации за счет использования данных об электричестве и окружающей среде в реальном времени для определения максимально допустимого тока для данной линии электропередачи [60]. Такая практика обеспечивает большую гибкость в использовании линий электропередач для подачи электроэнергии, а также в планировании обслуживания и модернизации инфраструктуры. Технологии интеллектуальных сетей также могут помочь смягчить влияние изменения климата на электрическую нагрузку. В будущих интеллектуальных сетях распределительные системы могут отслеживать и обмениваться данными с интеллектуальными приборами и системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, чтобы контролировать их работу в условиях ограниченных температур [61].Например, для предотвращения сброса нагрузки и сбоев инфраструктуры в часы пиковой нагрузки поставщики услуг электроснабжения могут изменять настройки интеллектуальных блоков кондиционирования, чтобы снизить нагрузку в пределах одного дома или нескольких зданий в пределах одной цепи. Хотя повышение температуры воздуха может привести к снижению пропускной способности и увеличению пиковых нагрузок, воздействия на общую надежность электроснабжения можно избежать с помощью надлежащих мер по смягчению последствий. Инвестиции в стратегии снижения выбросов углерода, программы управления спросом и технологии интеллектуальных сетей могут уменьшить или даже свести на нет ожидаемые воздействия на климат.

Результаты этого исследования показывают, что повышение температуры окружающего воздуха может увеличить потребность в электроэнергии и снизить допустимую нагрузку на передачу. Кроме того, дополнительное исследование по производству электроэнергии предсказывает сокращение мгновенных генерирующих мощностей в жаркие летние месяцы для региона Западного Координационного совета по электроэнергии (WECC) [1], который включает 14 штатов на западе США [62]. К середине века существующие уязвимые летние генерирующие мощности в регионе WECC могут быть сокращены на 1.1% –3,0% в среднем за год, при этом предлагаемая мощность (в основном за счет турбины внутреннего сгорания и солнечных фотоэлектрических источников) несут аналогичные потери [1]. В дополнение к этим потерям, повышение температуры окружающего воздуха может увеличить пиковую нагрузку на душу населения в регионе WECC на 1,7–14%, в то время как пропускная способность WECC может снизиться на 1,4–5,6%. Это предполагает, что совместный эффект снижения генерирующей мощности, снижения допустимой нагрузки на линии электропередачи и увеличения пиковой нагрузки может привести к более жестким ограничениям в электросети при повышении температуры окружающей среды.Этот эффект может различаться между областями с летним пиком и областями с зимним пиком [1, 13]. Регионы с летним пиком могут иметь пониженную пропускную способность и повышенную нагрузку (например, из-за увеличения нагрузки от центральных кондиционеров), тогда как регионы с зимним пиком могут иметь повышенную пропускную способность и пониженную нагрузку (например, из-за снижения нагрузки от радиационного нагрева). . Это подчеркивает необходимость лучшего понимания воздействия изменения климата и последующего повышения температуры окружающей среды на общую надежность электроэнергетической системы как на общем уровне, так и для конкретных местоположений.В настоящее время в некоторых региональных оценках адекватности электроснабжения явным образом не учитываются последствия изменения климата [63], а это означает, что долгосрочные инвестиции в электроэнергетическую инфраструктуру могут не обеспечить оптимального удовлетворения будущих потребностей в электроэнергии. Модели для конкретных площадок необходимы для изучения совокупного воздействия повышения температуры на производство, передачу, распределение и спрос электроэнергии. Кроме того, необходима дополнительная работа для оценки асинхронного воздействия перегрузки сети и рыночных сил на адекватность электроснабжения в масштабе межсетевых соединений.Несмотря на то, что на адекватность электроснабжения отрицательно влияют все рассматриваемые климатические сценарии, результаты предлагают несколько вариантов смягчения потенциальных воздействий, включая инициативы по сокращению выбросов углерода, термостойкие проводники, модернизацию энергоэффективности зданий и новые технологии интеллектуальных сетей. Эти меры дают возможность уменьшить или даже полностью нейтрализовать потенциальное воздействие на климат, в зависимости от того, насколько агрессивно они принимаются. Хотя влияние изменения климата на инфраструктуру электроэнергетики может быть значительным, это исследование показывает, что эти воздействия можно преодолеть с помощью существующих технологий и методов управления, учитывая возможность внедрения упреждающей практики управления.

Этот материал основан на работе, поддержанной Национальным научным фондом (номера грантов WSC 1360509, IMEE 1335556 и RIPS 1441352). Работа частично поддержана Военными программами USACE. Разрешение на публикацию этого материала было дано полномочиями главного инженера USACE. Взгляды и мнения, выраженные в этой статье, принадлежат отдельным авторам, а не армии США или других спонсорских организаций.

Калифорния ISO — Наш бизнес


Роль Калифорнийского ISO
Электроэнергетическая отрасль включает традиционные коммунальные предприятия, владельцев частных электростанций, а также государственные и федеральные агентства, каждый из которых играет особую роль…

Как течет энергия в Калифорнии
Калифорнийская сеть ISO представляет собой междугородную систему передачи высокого напряжения, которая поставляет электроэнергию оптом местным коммунальным предприятиям для распределения …

Конкуренция обеспечивает прозрачность
Более 150 основных передающих и генерирующих компаний участвуют в рынке ISO, который используется для распределения передающего пространства…

Сеть ISO
ISO управляет потоками электроэнергии примерно для 80 процентов Калифорнии и небольшой части Невады, которая охватывает всех инвесторов …

История ISO
До создания независимых операторов передачи электроэнергия была предметом местного беспокойства и строго регулировалась…

Открытие доступа
Калифорнийский ISO является одним из 9 независимых системных операторов в Северной Америке. В совокупности они вырабатывают более 2,2 миллиона гигаватт-часов электроэнергии …

Высокотехнологичные центры управления
Надежность сети — это круглосуточно. работа, требующая от операторов ISO Калифорнии постоянно оценивать состояние системы передачи.ISO …

Каждые пять минут ISO прогнозирует спрос на электроэнергию и отправляет генератор с наименьшими затратами для удовлетворения спроса, обеспечивая при этом достаточную пропускную способность для доставки электроэнергии.

ISO открыла свои два центра управления в Калифорнии в 1998 году, когда штат реструктурировал свою оптовую электроэнергетику. В то время как коммунальные предприятия по-прежнему владеют активами передачи, ISO контролирует маршрутизацию электронов, максимизируя эффективность системы передачи и ресурсы генерации, а также контролирует техническое обслуживание линий.Являясь нервным центром энергосистемы, ИСО сопоставляет покупателей и продавцов электроэнергии, ежедневно совершая более 28 000 рыночных транзакций, чтобы обеспечить наличие достаточного количества электроэнергии для удовлетворения спроса.

Почему ISO / RTO хороши для Америки
Региональные рынки способствуют повышению эффективности за счет совместного использования ресурсов. Эти организованные рынки спроектированы таким образом, что зона с излишками …

Планирование энергосистемы
ISO проводит ежегодный процесс планирования передачи, который использует инженерный анализ для определения любых необходимых расширений сети. …

Сеть открытого рынка приветствует разнообразные ресурсы
Рынок ISO упрощает конкуренцию ресурсов за обеспечение потребителей электроэнергией. Ключ к надежной интеграции возобновляемой генерации …

Власть людей
С развитием автоматизации и интеллектуальных технологий потребители становятся продавцами, а не просто покупателями электроэнергии.Клиенты, которые …

За что мы выступаем
Мы стремимся быть трансмиссионной организацией мирового класса, основанной на всемирно признанной и вдохновленной …

Понимание электричества
Один мегаватт равен одному миллиону ватт или 1000 киловатт, электроэнергии примерно достаточно для удовлетворения мгновенного спроса …

Эффективность производства и распределения электроэнергии

Цепочка поставок энергии

Большая часть энергии доступных источников энергии тратится впустую из-за неэффективности процессов преобразования и распределения энергии.Рассматривая домашнее электрическое освещение в качестве типичного примера, менее 1% энергии, потребляемой для выработки электричества, в конечном итоге преобразуется в световую энергию. Остальные 99% теряются в цепочке поставок. При использовании обычных электростанций, работающих на ископаемом топливе, потери накапливаются следующим образом:

  • 10% энергии топлива теряется при сгорании, и только 90% теплотворной способности передается пару.
  • КПД паровой турбины при преобразовании энергии пара в механическую энергию ограничен примерно 40%.(Закон эффективности Карно)
  • Роторный электрический генератор по сравнению с ним очень эффективен. КПД преобразования большой машины может достигать 98% или 99%.
  • Передача электроэнергии по распределительной сети между электростанцией и потребителем приводит к потерям при распределении в размере 10%, в основном из-за сопротивления электрических кабелей.
  • Дополнительная энергия теряется из-за эффективности преобразования энергии устройства конечного пользователя.Лампы накаливания особенно неэффективны, поскольку они преобразуют только 2% электроэнергии в свет.

Подробнее потери рассматриваются ниже.

Эффективность производства

КПД электростанции η определяется как соотношение между полезной выработкой электроэнергии из генерирующего агрегата в определенное время и энергетической ценностью источника энергии, подаваемой в агрегат за тот же период времени.

Для производства электроэнергии на основе паровых турбин 65% всей первичной энергии теряется в виде тепла.

Максимальная теоретическая энергоэффективность более подробно определяется циклом Ренкина. Для современных практических систем это около 40%, но меньше для более старых электростанций.

Эффективность снижается еще больше, если для питания установки используется топливо с более низким содержанием энергии, такое как биомасса.

Сравнение эффективности

В таблице ниже показана теоретическая эффективность преобразования различных источников энергии различными методами в полезную электрическую энергию.

Источник — Eurelectric

См. Также Затраты на электроэнергию

Эффективность использования завода

На практике установки по производству электроэнергии редко выдают свою теоретическую мощность на постоянной основе из-за колебаний спроса и необходимости время от времени отключать оборудование для проведения планового технического обслуживания или аварийного ремонта.Следующие факторы используются для обозначения эффективности генерирующего предприятия в управлении своей генерирующей мощностью.

Коэффициент мощности:

Коэффициент мощности — это показатель операционной эффективности, который указывает на способность электростанции вырабатывать полную мощность. Это просто фактическая выходная энергия генератора за данный период, деленная на теоретическую выходную энергию, если бы машина работала с полной номинальной выходной мощностью в течение того же периода.Это косвенно показатель надежности поставок.

Коэффициент мощности традиционной атомной или угольной электростанции находится под контролем и может составлять более 80%, тогда как коэффициент мощности ветряных генераторов или солнечных электростанций зависит от элементов и обычно составляет менее 40%, а 25% — нет. быть необычным. Это означает, что ветряная турбина мощностью 1000 кВт в лучшем случае будет вырабатывать столько же энергии в год, сколько угольная электростанция мощностью 500 кВт, а возможно, и намного меньше.

Коэффициент нагрузки

Коэффициент загрузки — это показатель загрузки предприятия, который показывает, насколько эффективно мощность предприятия соответствует пиковому спросу потребителей. Это отношение средней нагрузки к пиковой в течение определенного интервала времени. Низкий коэффициент загрузки означает неэффективное использование оборудования и капитала.

Базовая нагрузка

Различные типы генераторов работают с диапазоном плановых коэффициентов нагрузки, определяемых политикой генерирующих коммунальных компаний.Установки с высоким КПД обычно рассчитаны на обеспечение базовой нагрузки сети, и, следовательно, они работают с очень высоким коэффициентом нагрузки.

В Великобритании в 2004 году угольные электростанции имели коэффициент нагрузки около 62 процентов, газовые электростанции — 60 процентов, атомные электростанции — 71 процент, гидроэлектростанции — 37 процентов и гидроаккумуляторы — 10 процентов. В тот же период общий средний коэффициент нагрузки для всей электросети Великобритании составлял около 55%.

Источник: Сборник статистики энергетики Великобритании (DUKES) 2005 г.

Пиковые нагрузки

Модели нагрузки

рассматриваются более подробно на странице «Потребление электроэнергии», а в разделе «Согласование нагрузки» приводятся варианты обеспечения пиковых нагрузок. Генерирующие установки, обеспечивающие пиковые нагрузки, обычно имеют очень низкий коэффициент нагрузки, поэтому для этой цели часто используются более старые, менее эффективные установки.

Заводская маржа:

Использование электрической сети и генерирующих станций в ней будет намеренно ниже полной мощности для обеспечения надежности снабжения, даже когда какая-то генерирующая установка не работает или в случае неожиданных пиков потребительского спроса.

Запланированная избыточная мощность известна как маржа завода.

Заводская маржа — показатель надежности поставок. Это количество, на которое установленная генерирующая мощность превышает прогнозируемый пиковый спрос, и выражается в процентах. Маржа предприятия не менее 20% считается необходимой, чтобы избежать отключений электроэнергии и потенциальной перегрузки электросети. Таким образом, высокая маржа установки приводит к низкому коэффициенту нагрузки.

Эффективность распределения электроэнергии

Коэффициенты потерь распределения (DLF)

Сопротивление кабелей, проводящих ток между генерирующей установкой и помещениями конечного пользователя, вызывает дополнительные потери эффективности из-за джоулева нагрева (потери I 2 R) соединительных силовых кабелей.Есть два основных влияющих фактора.

  • Расположение
  • Сопротивление кабелей увеличивается с увеличением расстояния, поэтому потери обычно составляют 5% для источников питания в городских районах, близких к источнику питания, и до 10–20% для удаленных сельских районов. Общий средний показатель по США составляет от 7% до 8%.

  • Напряжение
  • Поскольку джоулевые тепловые потери пропорциональны квадрату тока, потери при распределении можно уменьшить, передавая мощность с минимально возможным током, используя более высокие передаваемые напряжения.Верхний предел напряжения устанавливается нарушением воздушной изоляции между силовыми кабелями и землей или, что более вероятно, между изоляторами, подвешивающими кабели к опорам (опорам) передачи.

    В системах передачи высокого напряжения есть также дополнительные, хотя и незначительные, потери в меди и железе в трансформаторах, повышающие напряжение на электростанции и снова понижающие его в точке потребления из-за сопротивления обмоток и гистерезис и потери на вихревые токи в сердечниках трансформатора.

Эффективность использования энергии

В следующем примере показана неэффективность преобразования первичной энергии в полезный световой поток. Типичная лампа накаливания мощностью 60 Вт дает яркость около 15 люмен на ватт приложенной мощности. Таким образом, общий световой поток лампы составляет 900 люмен, что эквивалентно примерно 1,35 Вт или 1,35 Джоулей в секунду излучаемой световой мощности, а эффективность преобразования составляет 2.25%. Остальная приложенная электрическая энергия теряется в виде тепла. Принимая во внимание типичный КПД электростанции, составляющий 35% и 10% джоулей потерь тепла в распределительной сети, эффективность преобразования первичной энергии в световую энергию составляет всего 0,7%

Для сравнения: компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) дает от 50 до 60 люмен на ватт.Использование люминесцентных ламп вместо ламп накаливания позволяет снизить энергопотребление ламп с 60 до 15 Вт при той же светоотдаче. Потребитель экономит скромные 45 Джоулей в секунду, но соответствующее основное потребление энергии сокращается на целых 141 Джоулей в секунду.

Здесь стоит заработать шесть очков:

  • Использование ламп накаливания — очень неэффективный способ освещения.
  • Для питания лампы накаливания мощностью 60 Вт в течение одного года требуется от 200 до 300 кг угля хорошего качества.
  • Учитывая, что сегодня во всем мире используются миллиарды ламп накаливания, непомерно много энергии тратится на освещение.
  • Доступны альтернативы энергосбережению.
  • Энергосберегающие устройства не только экономят деньги потребителей, но и увеличивают экономию энергии по мере того, как вы возвращаетесь вниз по цепочке поставок.В этом типичном случае экономия 1 Джоуля конечным пользователем приводит к снижению общего количества потребляемой энергии более чем на 3 Джоуля.
  • Коэффициент увеличения экономии также применяется к любой экономии энергии, достигнутой конечным пользователем, такой как снижение температуры на термостатах или отключение функций дистанционного управления устройством и режима ожидания.

См. Также Engineering Harmony

Вернуться к Обзор электроэнергетики

Сколько первичной энергии тратится впустую, прежде чем потребители увидят ценность электроэнергии?

Сколько первичной энергии тратится впустую, прежде чем потребители увидят ценность электроэнергии?

Боб Шивли, президент и ведущий фасилитатор Enerdynamics

Вы когда-нибудь задумывались, какая часть первичной энергии, которая идет на производство электричества, обеспечивает полезную работу нам как потребителям? Ответ невелик — в зависимости от устройства, использующего электричество, оно составляет от 30% до 5%.Итак, куда девается вся эта потраченная впустую энергия и что мы можем с этим поделать? Или вообще стоит попробовать? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте посмотрим, где теряется электричество в цепочке доставки.

Потери при производстве, передаче и распределении
Во-первых, давайте рассмотрим первичную энергию, которая поступает в систему подачи электроэнергии на входе в генератор, и исследуем, какая часть первичной энергии доставляется потребителю. По данным Управления энергетической информации (EIA), ответ составляет 34%.Другими словами, 66% первичной энергии, используемой для производства электричества, тратится впустую к тому времени, когда электричество поступает на счетчик потребителя.

Потребление первичной энергии в США по источникам и секторам:

Источник: графика из курса «Обзор энергетической отрасли» компании Enerdynamics, разработанного с использованием данных Управления энергетической информации (EIA).

Куда деваются все эти отходы? Это первичная энергия, которая преобразуется в тепло, а затем теряется в виде отработанного тепла.Вот где происходят потери:

Поколение
По оценкам, из 66% потерянных 59% теряется в процессе генерации. Сюда входят:

  • Отработанное тепло, возникающее из-за неэффективности процесса преобразования первичной энергии в электричество. Это составляет около 54% ​​от общих потерь.
  • Электроэнергия, используемая электростанцией для внутренних нужд во время работы. Это составляет около 5% от общих потерь.

Передаточно-распределительная сеть
Еще от 5 до 7% первоначальной первичной энергии теряется во время доставки электроэнергии через систему T&D.Энергия становится отработанным теплом, выделяемым в воздухе из-за потерь в линии и потерь преобразования в трансформаторах и другом линейном оборудовании.

После того, как электричество поступает в помещение потребителя, возникают дополнительные потери из-за потерь в линии внутри здания и неэффективности преобразования энергии в полезные услуги (тепло, свет, электронная обработка и т. Д.). Несмотря на то, что количество, теряемое в помещениях потребителя, широко варьируется в зависимости от типа потребителя и типа используемого оборудования, анализ типичных потерь для различных процессов конечного использования может дать нам представление о том, сколько больше энергии теряется в наших зданиях и заводов:

Конечное использование Расчетные потери энергии
Котлы промышленные 20%
Промышленное тепло 15%
Насосы и вентиляторы 40%
Двигатели 5% — 10%
Лампа накаливания 90%
Лампочка светодиодная 10%


Потери в системе подачи электроэнергии:


Если вы узнаете, что убытки столь велики, вы, скорее всего, спросите: «Имеет ли это значение, и если да, то что нам с этим делать?» Безусловно, есть негативные последствия потерь энергии.Электростанции и объекты T&D должны быть слишком большого размера, поскольку теряется очень много энергии. Для ТЭС нужно больше топлива. Это приводит как к капиталу, так и к расходам, которые в конечном итоге оплачиваются потребителями.

Потери также увеличивают воздействие на окружающую среду от использования электроэнергии, поскольку необходимо добывать или производить больше топлива, больше выбросов попадает в атмосферу, а в случае возобновляемой генерации больше земли используется для более крупных электростанций. Что касается того, что мы можем с этим поделать — наше общество может уделять больше внимания эффективности производства электроэнергии и устройств конечного использования.Во многих случаях инвестиции в энергоэффективность — самый дешевый способ контролировать расходы на электроэнергию.

Чтобы узнать больше о первичной энергии, откуда она берется и сколько теряется до того, как она попадет к вам, не стесняйтесь просматривать наши онлайн-курсы по энергетическому обучению, чтобы подписать свою команду на расширенные возможности обучения. Enerdynamics — ваш источник №1 в области энергетического образования, так что записывайтесь на другие занятия сегодня!

Вернуться в блог Energy Currents

Определение: Электрическая сеть | Информация об открытой энергии

Сеть линий электропередачи, подстанций, трансформаторов и др., Доставляющих электроэнергию от электростанций к потребителям; В континентальной части U.С., электрическая сеть состоит из трех систем: Eastern, Western Interconnect и Texas Interconnects. [1] [2] [3] [4]

Определение Википедии

Электрическая сеть — это взаимосвязанная сеть для доставки электроэнергии от производителей к потребителям. Электрические сети различаются по размеру и могут охватывать целые страны или континенты. Он состоит из:
  • электростанций: часто расположенных вблизи источников энергии и вдали от густонаселенных районов
  • электрические подстанции для повышения или понижения напряжения
  • Передача электроэнергии на большие расстояния
  • Распределение электроэнергии индивидуальным потребителям, где напряжение снова понижается до требуемого (ых) рабочего (ых) напряжения (й).Хотя электрические сети широко распространены, по состоянию на 2016 год 1,4 миллиарда человек во всем мире не были подключены к электросетям. По мере роста электрификации количество людей, имеющих доступ к электросети, растет. Около 840 миллионов человек (в основном в Африке) не имели доступа к электросети в 2017 году по сравнению с 1,2 миллиардами в 2010 году. Электрические сети могут быть подвержены злонамеренному вторжению или атакам; таким образом, существует потребность в безопасности электрических сетей. Кроме того, по мере модернизации электрических сетей и внедрения компьютерных технологий киберугрозы становятся угрозой безопасности.Особые опасения связаны с более сложными компьютерными системами, необходимыми для управления сетями. Сети почти всегда синхронны, что означает, что все распределительные зоны работают с синхронизированными частотами трехфазного переменного тока (так что колебания напряжения происходят почти в одно и то же время). Это позволяет передавать электроэнергию переменного тока по всей территории, подключая большое количество производителей и потребителей электроэнергии и потенциально обеспечивая более эффективные рынки электроэнергии и резервное производство. Комбинированная сеть передачи и распределения является частью системы поставки электроэнергии, известной в Северной Америке как «электросеть» или просто «сеть».В Соединенном Королевстве, Индии, Танзании, Мьянме, Малайзии и Новой Зеландии сеть известна как Национальная сеть. Электрическая сеть — это взаимосвязанная сеть для доставки электроэнергии от производителей к потребителям. Электрические сети различаются по размеру и могут охватывать целые страны или континенты. Он состоит из:
  • электростанции: часто располагаются вблизи источников энергии и вдали от густонаселенных районов
  • электрические подстанции для повышения или понижения напряжения
  • Передача электроэнергии на большие расстояния
  • Распределение электроэнергии индивидуальным потребителям, где напряжение снова понижается до требуемого (ых) рабочего (ых) напряжения (й).Хотя электрические сети широко распространены, по состоянию на 2016 год 1,4 миллиарда человек во всем мире не были подключены к электросетям. По мере роста электрификации количество людей, имеющих доступ к электросети, растет. Около 840 миллионов человек (в основном в Африке) не имели доступа к электросети в 2017 году по сравнению с 1,2 миллиардами в 2010 году. Электрические сети могут быть подвержены злонамеренному вторжению или атакам; таким образом, существует потребность в безопасности электрических сетей. Кроме того, по мере модернизации электрических сетей и внедрения компьютерных технологий киберугрозы становятся угрозой безопасности.Особые опасения связаны с более сложными компьютерными системами, необходимыми для управления сетями. Сети почти всегда синхронны, что означает, что все распределительные зоны работают с синхронизированными частотами трехфазного переменного тока (так что колебания напряжения происходят почти в одно и то же время). Это позволяет передавать электроэнергию переменного тока по всей территории, подключая большое количество производителей и потребителей электроэнергии и потенциально обеспечивая более эффективные рынки электроэнергии и резервное производство. Комбинированная сеть передачи и распределения является частью системы поставки электроэнергии, известной в Северной Америке как «электросеть» или просто «сеть».В Великобритании, Индии, Танзании, Мьянме, Малайзии и Новой Зеландии сеть известна как Национальная сеть.

Определение Reegle

Сеть — это сеть линий электропередачи, обычно предназначенная для распределения электроэнергии.
Также известен как
Сетка
Связанные термины
Интеллектуальная сеть, электричество, мощность, производство электроэнергии, линия передачи, трансформатор
Список литературы
  1. ↑ http: // www.npr.org/templates/story/story.php?storyId=110997398
  2. ↑ http://www.smartgrid.gov/the_smart_grid#smart_grid
  3. ↑ http://www1.eere.energy.gov/solar/solar_glossary.html#E
  4. ↑ http://205.254.135.24/tools/glossary/index.cfm?id=E
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *