Н. Г. Сычев Основы энергосбережения Учебное пособие

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 2.1.4. Атомные электростанции 2.1.5. Гидравлические и гидроаккумулирующие электростанции 2 — напорный трубопровод, 3 2.2. Нетрадиционная энергетика Доля возобновляемых источников

Подобный материал:

• Учебное пособие Житомир 2001 удк 33: 007. Основы экономической кибернетики. Учебное, 3745.06kb.
• Е. Г. Степанов Основы курортологии Учебное пособие, 3763.22kb.
• Н. Ю. Каменская основы финансового менеджмента учебное пособие, 1952.65kb.
• Н. Ю. Каменская основы стратегического менеджмента учебное пособие, 2151.46kb.
• О. А. Ломовцева Основы антимонопольной деятельности Учебное пособие, 1390.1kb.
• Учебное пособие 2002, 2794.97kb.
• Учебное пособие рассмотрено и одобрено на заседании кафедры экономики и управления, 1175.93kb.
• И. И. Ползунова Бийский технологический институт Л. Г. Миляева основы планирования, 1373.58kb.
• Т. Ф. Киселева теоретические основы консервирования учебное пособие, 2450.86kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «основы маркетинга» Учебное пособие, 2315.48kb.

2.1.4. Атомные электростанции

Привлекательность ядерной энергетики заключается в том, что при делении ядер урана ²³⁵U выделяется большое количество энергии. При полном делении 1 кг ²³⁵U выделяется 86▪10⁶ МДж (23▪10⁶ кВт- ч) энергии, а при сжигании 1 кг каменного угля выделяется только 8 кВт- ч энергии. Анализируя эти данные можно сделать вывод, что ядерное топливо эффективнее традиционного органического топлива в 3000000 раз.

Источником ядерной энергии могут быть либо тяжелые ядра, для которых возможны ядерные превращения, сопровождающиеся их делением на более мелкие ядра, либо легкие элементы, вступающие в реакции синтеза.

Рассмотрим процесс деления тяжелых ядер, лежащий в основе работы ядерного реактора АЭС. В состав атомов элементов, как известно, входят электрон, протон, нейтрон. Атомы состоят из ядер, вокруг которых вращаются электроны. Сами ядра состоят из очень плотно «упакованных» с помощью ядерных сил нейтронов и протонов. Ядерные силы действуют на очень коротких расстояниях, соизмеримых с размерами ядер, и превосходят по значению все другие силы, в том числе кулоновские силы отталкивания между протонами ядер.

Деление ядер происходит при бомбардировке их нейтронами. Поскольку нейтрон имеет нулевой заряд, кулоновские силы не могут препятствовать проникновению нейтрона в ядро. Нейтрон, который не связан с тяжелым ядром, попав в него, не изменяет полную энергию связи всех протонов и нейтронов (нуклонов) ядра, но изменяет среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон, в результате чего эта энергия в новом ядре станет меньше, чем в старом. Нуклоны станут меньше связаны друг с другом, а это приведет к тому, что в таких ядрах, как уран или плутоний, ядерных сил связи будет недостаточно для удерживания всех нуклонов вместе. Произойдет деление ядра на два других (осколки деления) с одновременным испусканием нескольких отдельных нейтронов, которые в свою очередь вызывают новые деления ядра (рис. 2.9.), при этом процесс деления сопровождается выделением огромного количества энергии.

Освобождаемая энергия проявляется в виде кинетической энергии продуктов деления (осколков), что при их торможении приводит к разогреву окружающей среды. Выделяемая тепловая энергия с помощью теплоносителей передается рабочему телу турбины для выработки электроэнергии генератором.

В современных атомных электростанциях используются в основном реакторы на тепловых (медленных) нейтронах. Рассмотрим в связи с этим, что же представляет собой наиболее распространенный в энергетике ядерный реактор на тепловых нейтронах.




Рис. 2.9. Схема расщепления ядра урана-235


В настоящее время существует несколько типов реакторов, однако всем им присущи некоторые общие черты. Все они имеют прежде всего так называемую активную зону 1 (рис. 2.10), в которую загружается





Рис. 2.10. Упрощенная схема АЭС


ядерное топливо, содержащее ²³⁵U и замедлитель (обычно графит или вода). Для сокращения утечки нейтронов из активной зоны последнюю окружают отражателем 2, выполненным обычно из того же материала, что и замедлитель. За отражателем снаружи реактора размещается бетонная защита 5 от радиоактивных излучений.

Загрузка реактора ядерным топливом обычно значительно превышает критическую. Чтобы по мере выгорания топлива непрерывно поддерживать реактор в критическом состоянии, в активную зону вводят сильный поглотитель нейтронов в виде стержней 4 из карбида бора. Такие стержни называют регулирующими или компенсирующими, поскольку они компенсируют дополнительную нагрузку топлива (избыточную реактивность реактора). По мере выгорания топлива эти стержни постепенно извлекаются из активной зоны.

Часть этих стержней используется также для регулирования мощности реактора, осуществляемого с помощью автоматики.

В процессе деления ядра основная доля освобожденной энергии переходит, как уже говорили, в кинетическую энергию осколков, при торможении которых выделяется теплота, отводимая теплоносителем 3 в теплообменник-парогенератор 5, где она трансформируется в рабочее тело — пар. Пар поступает в турбину 7 и вращает ее ротор, вал которого соединен с валом генератора 8. Отработавший в турбине пар попадает в конденсатор 9, после которого сконденсированная вода вновь идет в теплообменник, и цикл повторяется.

В зависимости от вида теплоносителя, нагреваемого в атом­ном реакторе, и способа его использования АЭС делятся на одноконтурные, двухконтурные и трехконтурные. Принципиальные схемы этих АЭС представлены на рис. 2.11.





Рис. 2.11. Упрощенная принципиальная схема одно-(а) и двух-(б) контурных реакторов АЭС:

1 — ядерный реактор с первичной биологической защитой, 2 — вторичная биологическая защита, 3 — турбина, 4 — генератор, 5 — конденсатор, 6 — насос, 7 — регенеративный теплообменник, 8 — циркуляционный насос, 9 — парогенератор, 10 — промежуточный теплообменник


В одноконтурных АЭС (рис. 2.11а) в качестве рабочего тела паротурбинного цикла используется сам теплоноситель. Такая схема наиболее проста и дешевая в реализации, в ней отсутствуют также дополнительные потери, связанные с получением рабочего тела в двух- и трехконтурных АЭС. Однако в таких АЭС все оборудование работает в радиационно-активных условиях, что осложняет эксплуатацию энергоблока. Недостатком ее является также работа реактора на двухфазной пароводяной среде.

В двухконтурных АЭС (рис. 2.11 б) контуры теплоносителя и рабочего тела разделены. В таких схемах реактор охлаждается теплоносителем, прокачиваемым через него и парогенератор циркуляционным насосом. Пар из парогенератора поступает в турбину, затем в конденсатор, откуда после превращения в конденсат насосом подается обратно в парогенератор. Таким образом, на таких АЭС радиоактивным контуром является только первый, т. е. контур теплоносителя. В двухконтурной паротурбинной АЭС обязательным элементом является парогенератор, разделяющий оба контура.

В качестве теплоносителя в двухконтурной АЭС могут быть использованы также и какие-либо органические жидкости или газы. Двухконтурные схемы в настоящее время наиболее распространены.

Основным достоинством АЭС является относительная независимость от источников сырья (урановых месторождений) благодаря компактности горючего, легкости его транспортировки и продолжительности использования. Так на Нововоронежской АЭС на выработку 1 млн. кВт-ч электроэнергии расходуется всего около 200 г урана.

Современные АЭС на тепловых нейтронах имеют КПД несколько ниже, чем у блочных КЭС сверхкритических параметров. Капиталовложения на 1 кВт установленной мощности у них выше, хотя себестоимость вырабатываемой электроэнергии, как правило, более низкая.

Наибольшую долю электрической энергии, вырабатываемой на АЭС, в суммарном энергопроизводстве имеют: Франция ─ 78%, Бельгия ─ 60%, Украина ─ 47%, Швеция ─ 46%, Швейцария, Словения и Венгрия ─ по 40%. АЭС обеспечивают примерно 17% общемирового производства электроэнергии.


2.1.5. Гидравлические и гидроаккумулирующие электростанции


На гидроэлектростанциях электрическая энергия получается в результате преобразований энергии водного потока. Каждая ГЭС состоит из:

• гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и величину напора,
  
• энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в электрическую. Такое преобразование осуществляется с помощью гидравлической турбины, основным элементом которой является рабочее колесо.
  

Вода, попадая из водохранилища по напорному трубопроводу на лопасти рабочего колеса, вращает его, а вместе с ним и ротор генератора, вырабатывающего электроэнергию.

По схеме использования водных ресурсов и концентрации напоров ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные.

Существуют две основные схемы концентрации напора гидротехническими сооружениями — плотинная и деривационная.

В плотинной схеме предусмотрено сооружение плотины, перегораживающей в выбранном створе русло реки (рис. 2.12.), в результате чего образуется разность уровней воды в верховой и низовой по течению сторонах плотины. Создающееся при этом с верховой стороны водохранилище называется верхним бьефом, а часть реки с низовой стороны — нижним бьефом. Разность уровней верхнего z_b.6 и нижнего z_н.б бьефов создает необходимый напор гидроэлектростанции Н_гэс, при этом напор за счет кривой подпора будет несколько меньше того, который возможен при использовании рассматриваемого участка реки I — II, т. е. Н_уч. Значение ΔН представляет, таким образом, некоторую невосполнимую потерю напора

Н_гэс = Н_уч. ─ ΔН.

В состав сооружений русловой ГЭС, кроме плотины, входят здание ГЭС и водосбросные сооружения (рис..2.12. ) высота их сооружений зависит от высоты напора и установленной мощности. У русловой ГЭС здание с размещенными в нём гидроагрегатами служит продолжением плотины и вместе с ней создаёт напорный фронт. При этом с одной стороны к зданию ГЭС примыкает верхний бьеф, а с другой — нижний бьеф. Подводящие спиральные камеры гидротурбин своими входными сечениями закладываются под уровнем верхнего бьефа, выходные же сечения отсасывающих труб погружены под уровнем нижнего бьефа.




Рис 2.12. Плотинная схема концентрации напора

В соответствии с назначением гидроузла в его состав могут входить судоходные шлюзы или судоподъёмник, рыбопропускные сооружения, водозаборные сооружения для ирригации и водоснабжения. В русловых ГЭС иногда единственным сооружением, пропускающим воду, является здание ГЭС. В этих случаях полезно используемая вода последовательно проходит входное сечение с мусорозадерживающими решётками, спиральную камеру, гидротурбину, отсасывающую трубу, а по специальным водоводам между соседними турбинными камерами производится сброс паводковых расходов реки. Для русловых ГЭС характерны напоры до 30—40 м. Получают распространение гидроаккумулирующими электростанциями (ГАЭС).

Процесс гидравлического аккумулирования энергии сводится к следующему. В ночное время, когда нагрузка энергосистемы сильно снижается, включаются электродвигатели насосов ГАЭС, накачивающие воду из нижнего бассейна в верхний (рис. 2.14).





Рис. 2.13. Здание русловой ГЭС: 1 — генератор; 2 — турбина; 3 — спиральная камера; 4 — отсасывающая труба; 5 —аванкамеры; 6 — грузоподъемные краны; 7 — паз решеток; 8 — паз шандоров; 9 — паз затворов

.

В периоды пиков нагрузки энергосистемы запасенная в верхнем бассейне вода пропускается через турбины ГАЭС и находящиеся на одном валу с ними генераторы вырабатывают электроэнергию.

Нижним бассейном (бьефом) такой ГАЭС могут служить водохранилища или реки, а в качестве верхнего бассейна (бьефа) используется существующее озеро, имеющее или не имеющее естественную приточность, или специально созданное на определенной высоте водохранилище.




Рис 2.14. Схема гидроаккумулирующей электростанции

/ — верхний бассейн, 2 — напорный трубопровод, 3 — здание ГЭС, 4 — нижний бассейн, 5 — уравнительный резервуар, 6 — водоприемник


На первых ГАЭС устанавливали две раздельные пары машин: гидротурбину с генератором и электродвигатель с насосом. Такие схемы по числу устанавливаемых машин называют четырехмашинными.

Появление обратимых гидромашин, работающих как в насосном, так и турбинном режиме, позволило перейти к двухмашинной схеме ГЭС, имеющей агрегаты, на одном валу которых размещается как обратимая электрическая машина, так и обратимая гидравлическая.

Достоинством ГАЭС в современных условиях работы энергетических систем является то, что она искусственно создает гидроэнергетические ресурсы, что важно для тех районов, где этих ресурсов недостаточно. Кроме того, ГАЭС играют существенную роль в покрытии суточного графика нагрузки системы, создавая дополнительную нагрузку в часы ночного провала электропотребления и пиковую мощность в часы повышенного спроса на электроэнергию.

Коэффициент полезного действия ГАЭС определяет КПД насосного и турбинного режимов. Поэтому он будет меньше, чем КПД ГЭС, и обычно не превосходит 0,7—0,78. Это значит, что из каждых 100 кВт-ч, забираемых ГАЭС из системы, обратно в нее возвращается примерно 75 кВт-ч. Однако этот недостаток смягчается тем, что дневная энергия, когда ГАЭС работает в турбинном режиме, оценивается значительно выше ночной, когда часть ее по существу является бросовой.

Энергоэкономическая эффективность ГАЭС в значительной мере определяется используемым напором. Чем больше напор, тем меньшими объемами водохранилищ можно обойтись для одной и той же установленной мощности. Поэтому высоконапорные ГАЭС имеют лучшие технико-экономические показатели.

Всего в мире эксплуатируется и строится свыше 200 ГАЭС, охватывающих диапазон напоров от нескольких метров до 1770 м.


2.2. Нетрадиционная энергетика

Нетрадиционная энергетика Беларуси базируется преимущественно на использовании возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, энергии течения рек, биоэнергии, геотермальной энергии). Потенциал нетрадиционных энергетических ресурсов, согласно различным источникам, составляет от 6,1 до 10,4 млн. т н.э. в год. А по оценкам специалистов института Белэнергосетьпроект в Республике Беларусь теоретически от нетрадиционных источников энергии можно получить до 60% от общего объема энергопотребления; техническая возможность ограничивается 20%, а экономически целесообразно использовать сегодня 5—8%.

Табл.2.1. Потнциальные запасы иэкономически целесообразные обьемы использования местных энергетических ресурсов в Беларуси.






Рис.2.14. Прогноз суммарного потребления топлива в Беларуси (ПДж).
Источник: Энергетический портал Reenergy.by и ООО “Белорусское Отделение Международной Академии Экологии”

Последние 20 лет ученых и специалистов интересуют возможности эффективного получения энергии из возобновляемых источников (ВИЭ): воды, ветра, Солнца, Земли, растений (биомассы) и т.д. Некоторые страны достигли в этом направлении значительных успехов (табл.2.2-2.3).


Табл.2.2. Динамика потребления энергии из ВИЭ в ЕС-27,тыс. т у.т.

Год	Источники						% к валовому внутреннему потреблению
	1	11	111	1V	V	Всего
1995	28	-	4,0	-	52	84	5,1
1996	85	-	4,0	-	55	87	5,1
1997	29	-	5,0	-	58	91	5,4
1998	30	-	5,0	-	59	94	5,5
1999	29	-	6,0	-	59	95	5,6
2000	30	-	6,0	-	63	99	5,8
2001	32	2,3	0,4	3,6	64	101	5,9
2002	27	3,1	0,5	3,9	66	100	5,8
2003	26	3,8	0,6	5,3	71	108	6,0
2004	28	5,1	0,7	5,4	76	115	6,4
2005	28	6,0	0,8	5,3	82	119	6,7
2006	27	7,0	1,0	5,6	87	127	7,0

Примечание. I - малые ТЭС; 11 - ветер; 111 - солнце; IV - геотермальная энергия; V - биомасса (клетчатка, сельскохозяйственные и коммунальные отходы).


Табл.2 . 3.Доля возобновляемых источников

в совокупном конечном потреблении

энергии, %

Страна	2005 (факт)	2020 (задание)
Мальта		10
Люксембург	0.9	11
Бельгия	2.2	13
Чехия	6.1	13
Венгрия	4.3	13
Кипр	2.9	13
Словакия	6.7	14
Нидерланды	2.4	14
Великобритания	1.3	15
Польша	7.2	15
Болгария	9.4	16
Ирландия	3.1	16
Италия	5.2	17
Греция	6.9	18
Германия	5.8	18
Испания	8.7	20
Франция	10.3	23
Литва	15.0	23
Португалия	20.5	31
Австрия	23.3	34
Финляндия	28.5	38
Швеция	31.8	49

Многие страны ЕС сильно зависимы от импорта ТЭР. К примеру, Литва, Венгрия, Словения и Польша на 95%, а Эстония, Латвия, Болгария, Словакия, Ирландия, Швеция и на все 100% зависят всего от одного поставщика нефти. Греция, Австрия, Венгрия на 80% привязаны к од­ному поставщику газа; Эстония, Латвия, Литва и Кипр - к одному поставщику угля и т.д.

Густонаселенный промышленный Евросоюз как никто ощущает на себе негативные изменения климата в результате парниковой эмиссии. В 2006 г. здесь было выброшено в атмо­сферу около 6 млрд. т С02. Несмотря на то, что эти выбросы официально ограничиваются, их до­статочно, чтобы в середине XXI в. перейти "красную черту" потепления атмосферы на 2°С), когда климатические изменения могут приобрести необратимый разрушительный характер.

Осознание всех этих факторов и перспектив заставило руководство ЕС, хотя и с запозданием сформулировать в 2006-2008 гг. свою "Новую энергетическую политику". Она предусматривает к 2020 г. обязательное сокращение выбросов парниковых атмосферу на 20% и повышение энергоэффективности хозяйства на 20%. Для достижения этих целей доля возобновляемых источников в общем потреблении энергии должна быть доведена до 20%, в потреблении моторного топлива до 10% . Вклад возобновляемых источников в энергопотребление, согласно Комиссии ЕС, подлежит увеличению при всех сценариях развития и любой ситуации с ценами, а само их использование официально трактуется как неотъемлемая составляющая устойчивого постиндустриального развития.

Делается ставка на ВИЭ в деле сокращения зависимости Европы от энергоимпорта и приобретения дополнительной свободы маневрирования при его диверсификации, равно как и в деле улучшения экологии континента, ибо выбросы парниковых газов от возобновляемых источников энергии заметно меньше. Другими словам европейский союз, - констатирует Комиссия «должен будет сделать первый шаг с тем, чтобы разорвать порочный круг увеличивающегося традиционного энергопотребления, растущего импорта, а с ним и оттока богатства, создаваемого в ЕС в уплату производителям энергии» Поэтому каждая страна ЕС получила индивидуальное задание по увеличению доли возобновляемых источников энергии в объем общего потребления к 2020 г. В ЕС доля ВЭИ в совокупном потреблении энергии должна возрасти до 20% против 8.5% в 2005 г.

Табл. 2.3. отражает достаточно разноречивую картину: многие страны ЕС-12 здесь выглядят, скорее, как балласт на пути намечаемых изменений. Однако, по прогнозам, даже при консервативном сценарии развития возобновляемых источников при растущих ценах не нефть и успешной реализации "Новой энергетической политики превратятся в существенный по значению блок в общем энергобалансе ЕС.

Термин "возобновляемые источники энергии" достаточно условен и по-разному трактуется в отдельных государствах. Чаще всего, в том числе в ЕС, к таким источникам относят энергию биомассы, солнца, ветра, воды, геотермальных источников, океана, а также водород и химические источники тока. В ряде случаев сюда же причисляют и атомную энергию и энергию малых ГЭС. Таким образом, здесь присутствуют и давно известные (биомасса, ветер, вода), и относительно новые (Солнце, тепло Земли, океан, атом, водород) источники энергии.