Электростанции и их роль в системе энергообеспечения



В статье проанализированы различные электростанции в качестве источников энергообеспечения, показаны преимущества и недостатки традиционной и альтернативной энергетики. Показано, что крупные электростанции всё ещё ориентированы на традиционные источники энергии. Альтернативная энергетика уже играет важную роль для энергоснабжения малых децентрализованных потребителей.

Ключевые слова: электростанции, энергообеспечение, традиционная энергетика, альтернативные источники энергии

Опыт любого развитого государства свидетельствует о том, что благосостояние его народа напрямую зависит от потребляемой им энергии, поскольку энергия является основой, которая обеспечивает не только развитие экономики государства, но и комфорт проживания людей. Энергообеспечение является одним из факторов нормальной жизнедеятельности населения.

Развитие мировой энергетики до 2035 года будет прежде всего ориентироваться на удовлетворение потребностей растущего числа народонаселения, необходимость борьбы с изменениями климата, «глобальную охоту» за энергоресурсами. Главным драйвером противодействия климатическим изменениям является декарбонизация энергетики, которая стала одним из определяющих факторов формирования трендов развития мировой энергетики.

Электрическая энергия в силу своей универсальности и мобильности пользуется растущим спросом, и в последние годы в мировой энергетике накопилось немало сложных проблем, требующих эффективного и быстрого решения. Среди них первоочерёдной является проблема надёжного и качественного энергообеспечения.

Учёные сходятся в едином мнении, что следует ожидать «переворота» в мировой энергетике, который связан с инновационным скачком (внедрение технологии нуклеосинтеза в твёрдом теле («холодный ядерный синтез»), использование водорода, гелия и т. д.). Растущая конкуренция на мировых энергетических рынках открывает широкие возможности выбора источников и путей поставок первичных энергетических ресурсов, оптимизации энергетического микса.

Международное энергетическое агентство (МЭА) объявило наступление «золотой эры газа» — как наиболее экологически чистого из ископаемых видов топлива и такого, которое выполняет минимальную эмиссию СО₂ и соответствует целям декарбонизации. В то же время, на фоне сравнительно высоких цен на углеводороды будет расти внимание к новым способам использования угля и ядерного топлива для получения электроэнергии и тепла. Особенно следует выделить роль возобновляемых видов энергии (ВИЭ), себестоимость производства которых стремительными темпами приближается к уровню себестоимости традиционных видов энергии и уже к 2020 году ВИЭ во многих развитых странах мира станут более конкурентными (без всякой государственной поддержки).

Цель работы состоит в том, чтобы определить место и роль электростанций в системе энергообеспечения в контексте мировых тенденций развития источников энергии.

При традиционном способе генерации и транспортировки электрической энергии используются мощные электростанции различных типов. Тепловая электроэнергетика требует меньших капиталовложений (в 2–3 раза) при больших текущих затратах на производство электроэнергии (в 1,5–2 раза) по сравнению с ядерной энергетикой. Стратегическое планирование баланса производства между этими типами генерации должно определяться не только экономическим, но и двумя другими аспектами безопасности. Относительно энергетического аспекта, нежелательным является дисбаланс в пользу любого типа генерации, который превышает 50 % от общего объёма производства. С экологической точки зрения, кроме общего недостатка — значительного уровня водопотребления, — оба типа имеют свои собственные основные принципиально необратимые недостатки: тепловая энергетика — существенные выбросы двуокиси углерода и других вредных веществ в атмосферу, ядерная энергетика — наработка радиоактивных отходов (РАО). При этом последний недостаток может быть скомпенсирован надёжной локализацией РАО, что в условиях нормальной эксплуатации объектов предоставляет ядерной энергетике существенное преимущество по сравнению с тепловой [2]. В то же время, к основным недостаткам ядерной энергетики, хотя и принципиально отвратимым, относятся существенно более весомые последствия возможных аварий по сравнению с другими типами генерации.

Масштабные планы по строительству объектов ядерной энергетики (преимущественно в Китае, Индии, Южной Кореи и России) свидетельствуют о расширении её присутствия в мировой энергетике в обозримом будущем [3]. Следует отметить, что несмотря на определённые экологические риски, связанные с опасностью ядерной отрасли, она смогла занять соответствующую конкурентную позицию в энергетическом секторе, в большинстве случаев благодаря относительно положительным техническим и экологическим показателям. Необходимо отметить, что цена на ядерную энергию в меньшей степени зависит от внешних факторов по сравнению с углеводородными источниками, ядерная энергия является низкоуглеродистой и эффективной с точки зрения затрат. Развитие ядерной энергетики в мире стимулируется возможностью двойного использования ядерных материалов (для выработки энергии и оружия массового поражения). Однако, несмотря на очевидные объективные выгоды от использования и развития ядерной энергетики в целом, остаются и проблемы, в частности захоронения отходов (особенно высокоактивных и радиоактивных), которые затрудняют дальнейшее развитие этой сферы. Сегодня существуют пути решения этих проблем, однако в большинстве стран пока не достигнут консенсус по этому вопросу.

Несмотря на то, что львиную долю в общем объёме производства энергии занимают традиционные источники, с каждым годом увеличивается удельный вес альтернативной энергетики, так как рост населения (в первую очередь в Индии и Китае) и повышение уровня жизни ведут к росту спроса на энергоресурсы в долгосрочной перспективе.

Согласно прогнозам, при условии существенного повышения эффективности энергопотребления, мировой спрос на энергоресурсы в 2035р., по сравнению с 2015, увеличится на 37 %. Прогнозируемые темпы мирового потребления энергии будут несколько медленнее, что вызвано завершением этапа бурного роста спроса на энергию в странах Азии. Практически весь объём прогнозируемого роста спроса (96 %) придётся на страны, не входящие в ОЭСР, где энергопотребление в течение исследуемого периода будет расти на 2,2 % в год по сравнению с 0,1 % в странах ОЭСР, где с 2030 г. уровень потребления начнёт постепенно снижаться.Ископаемые виды топлива (нефть, природный газ и уголь) будут по-прежнему удовлетворять большую часть мировых потребностей в течение указанного периода — ни один другой источник энергии не сможет сравниться с ними по доступности, экономичности и масштабах производства, несмотря на то, что их доля снизится с 86 % в 2015г. до 81 % в 2035 г. Самым быстрорастущим ископаемым видом топлива в потреблении будет газ (+ 1,9 % роста в год), существенно снизятся темпы роста угля (с 2000г. рост был на уровне 3,8 % в год) — до + 0,8 %, нефть только незначительно опередит уголь (+ 0,9 % в год). К 2035 г. доли ископаемых видов топлива (угля, нефти и газа) сгруппируются вокруг отметки 28 %. В странах ОЭСР доли угля и нефти в общем потреблении энергии будут сокращаться большими темпами. Это падение компенсируется ростом долей ВИЭ и природного газа. Среди неископаемых видов топлива более всего будет расти доля ВИЭ (+ 6,3 % на год), опередив ядерную энергетику в начале 2020-х годов и гидроэнергетику на начало 2030-х годов. Доля ВИЭ в 2035р. в общемировом потреблении составит 8 % (в 2014 г. 3 %). По прогнозам специалистов Всемирного энергетического совета, общая установленная мощность электростанций в мире вырастет с 4000 ГВт в 2006 году до 10000 ГВт в 2030 г., при этом установленная мощность электростанций на основе ВИЭ увеличится вдвое [4].

Сегодня стоимость электроэнергии, производимой на мини- и микро-ГЭС ниже стоимости от традиционных источников. А стоимость электроэнергии, произведенной на ветровых электроустановках (ВЭУ), практически находится на уровне стоимости электроэнергии, выработанной на газотурбинных станциях с комбинированным циклом, которые имеют высокие показатели эффективности среди традиционных энергосистем. Тем не менее, энергия, произведённая на основе фотоэлементов солнечных станций, по себестоимости всё ещё превышает в 4–5 раз себестоимость энергии от традиционных источников. За счёт стремительного развития отрасли стоимость электроэнергии от ВИЭ может снизиться до стоимости от других источников в ближайшие 5–10 лет.

В условиях увеличения доли электроэнергии, вырабатываемой крупными базовыми тепловыми и атомными электростанциями, оптимальным дополнением к ним являются гидроэлектростанции как маневренные мощности.Высокий уровень использования возобновляемых гидроэнергетических ресурсов в развитых странах обусловлен преимуществами гидроэлектростанций (ГЭС). В связи с введением в объединённых энергосистемах крупных базисных ТЭС и АЭС резко возросла роль в обеспечении надёжного энергоснабжения высокоманевренных ГЭС и ГАЭС, покрывающих пиковую часть графика нагрузок и выполняющих функции аварийного и нагружающего резервов энергосистемы.Большой накопленный опыт, успехи в методах проектирования и расчётов, совершенствование конструкций плотин и технологий их строительства, которые обеспечили повышение надёжности и экономичности плотин, открыли новые возможности широкого использования гидроэнергетических ресурсов, позволили строить ГЭС с высокими плотинами и большими водохранилищами в различных природных условиях, включая сложные инженерно-геологические условия, высокую сейсмичность.

На рынке возобновляемых источников энергии перспективным сегментом является геотермальная энергия — энергия в форме тепла, которая аккумулирована в земной поверхности, и которая может быть добыта и использована на пользу человека. Основными её преимуществами по сравнению с другими альтернативными видами энергии является доступность практически в любой точке мира и постоянство источника тепла в земной коре. На современных ГеоЭС коэффициент использования мощности достигает 90 %, при эксплуатации таких электростанций не происходит эмиссия диоксида углерода в атмосферу [1, с. 136]. Но при таком способе добычи электрической энергии используются химические вещества, которые наносят колоссальный ущерб окружающей среде.

Геотермальная энергия сейчас масштабно используется более чем в 40 странах мира уже более 50 лет для обогрева и охлаждения жилья, в сельском хозяйстве, туризме, лечении, выработке электрической энергии и т. д. Ситуация меняется от страны к стране в зависимости от развития геотермальных технологий. Диапазон использования варьируется от выработки электроэнергии с использованием высокотемпературных сухих горных пород (Исландия, Италия, Греция, Турция), использованием гидротермальных ресурсов в осадочных бассейнах (Франция, Германия, Польша, Италия, Венгрия, Румыния и другие). В 2014 году в мире была построена первая в мире (Исландия) промышленная геотермальная электростанция, источником тепла для которой является магма Земли [6].

Перспективным видом электростанций являются приливные электростанции, которые используют энергию морских волн для генерации электроэнергии. Но коэффициент использования установленной мощности для них составляет 24–26 %, а пик выработки часто приходится на ночное время, когда сетевое потребление находится на минимуме. Для использования энергии приливов через устье реки строятся плотины, которые блокируют входящий и исходящий поток.В настоящее время, хотя и имеются надёжные технологии для использования энергии приливов, приливные электростанции стоят очень дорого, поэтому функционирует лишь одна основная приливная электрическая станция (находится в устье реки Ранс на северном побережье Франции и вырабатывает электроэнергии в 240 МВт).Теоретический потенциал приливной энергетики в России оценивается более чем в 100 ГВт.Использование приливной энергии может снизить потребность в ядерной энергии и связанные с ней радиационные риски. Однако, изменение приливных потоков может привести к негативным последствиям для водных экосистем и береговых линий, а также для навигации и отдыха.

В течение 2000–2015 гг. в странах ЕС наибольший рост установленной мощности электростанций продемонстрировали такие виды возобновляемой энергетики, как ветровая и солнечная — общая установленная мощность за 15 лет составила 116 и 88 ГВт соответственно. При этом наблюдается устойчивая тенденция к выведению из эксплуатации технологий традиционной энергетики с использованием ископаемого топлива. Наиболее быстрое развитие в мире наблюдается в области ветровой энергетики. Ветровые электростанции (ВЭС) — комплексы современного оборудования, состоящие из ветрогенератора мощностью от 100 Ватт до 10 МВат, контроллера заряда, комплекта аккумуляторных батарей и инвертора напряжения. ВЭС предназначены для преобразования чистой природной энергии ветра в электричество. На конец 2015 года установленная мощность ветроэлектрических станций (ВЭС) составила 432,2 ГВт. Лидерами в этой области являются Китай, США, Германия, Испания, Индия. Стремительно развивается ветроэнергетика во Франции — 9,2 ГВт установленной мощности, что соответствует около 7 % общей мощности электростанций в этой стране [5]. Что касается развития солнечных фотоэлектрических систем (ФЭС) в мире, то лидерами в этой области являются Германия — 38,2 ГВт; Китай — 28,1 ГВт; Япония — 23,3 ГВт; Италия — 18,5 ГВт; США — 18,3 ГВт. [7] Так, в Германии в июле 2014 с помощью фотоэлектрических систем было произведено столько же электроэнергии, сколько и на атомных электростанциях. Отдельно следует обратить внимание на Францию, традиционно «атомное» государство, в котором общая мощность ФЭС составляет 5,6 ГВт.

Основным путём поддержания уровня производства электроэнергии и его дальнейшего наращивания является использование традиционных типов генерации — тепловой, ядерной и гидроэнергетики. Объём использования возобновляемых источников энергии постоянно растёт, значительные средства тратятся на разработку новых технологий и технических средств их применения. Этому способствует экологическая чистота использования геотермальных, солнечных, ветровых, приливных и других электростанций по сравнению с тепловыми.

Литература:

1. Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы // Выпуск 3. Материалы Научной сессии Института проблем геотермии, посвященной Дню российской науки. Махачкала. 7–8 февраля 2014г. / Под ред. д.т.н. А. Б. Алхасова — Махачкала: ИП Овчинников (АЛЕФ), 2014. — 158с.
2. Будущее атомной энергетики. Междисциплинарное исследование Массачусетского технологического института / под. ред. Stephen Ansolabehere, John Deutch etc. // [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.seu.ru/programs/atomsafe/books/FAE1.pdf
3. Всемирная ядерная ассоциация: официальный сайт. Режим доступа: http://www.world-nuclear.org/
4. Всемирный энергетический совет: официальный сайт. Режим доступа: http://www.worldenergy.org/
5. Глобальный совет по ветроэнегетике: официальный сайт. Режим доступа: http://www.gwec.net/
6. Geothermal Energy News & Information — [Electronic resource]. Access denied: http://www.renewableenergyworld.com/geothermal-energy.html
7. World Energy Outlook Special Report 2015: Energy and Climate Change — Executive Summary — [Electronic resource]. Access denied: https://www.iea.org/Textbase/npsum/WEO2015SUM.pdf