Первичные энергоресурсы. Невозобновляемые и возобновляемые источники энергии. (Лекция 2)

Другим примером первоисточника тепловой энергии в чистом виде являются геотермальные источники. Однако расположение их в непосредственной близости от сейсмически активных зон вызывает определенные сложности в их использовании.
К первичным источникам энергии следует, безусловно, отнести и воду. Потенциальная энергия воды издавна использовалась человеком для получения механической. Примером этому служат мельницы. Кинетическая же энергия стала использоваться относительно не-давно – с появлением электростанций.
Успехи в области исследования ядра позволили человечеству получить тепловую энергию
как побочный продукт ядерной реакции. Однако невысокая надежность первых реакторов привела к негативному отношению населения к самой идее развития ядерной энергетики.
Энергия ветра также достаточно длительное время используется человеком. На первой стадии развития ветроэнергетики конечным продуктом преобразования “даровой” энергии ветра была механическая, которая использовалась, например, для помола зерна, подъема воды и пр. И лишь с изобретением электрических машин ветроэнергетика приобрела тот смысл и значение, которое однозначно понимается всеми сейчас – получение электрической энергии.
2. Оценивая различные источники энергии как средство для развития человечества, необхо- димо учитывать не только такие их показатели, как теоретический и практический КПД пре- образования, экологичность и т.д., но и возможности достаточно длительного их использова- ния.

С этой точки зрения источники энергии можно классифицировать как невозоб-новляемые и возобновляемые.
К невозобновляемым относятся такие источники, работа которых основана на использо-
вании полезных ископаемых, таких как нефть, газ, уголь, горючие сланцы, торф и др., запасы
которых рано или поздно иссякнут.
К возобновляемым – те, которые используются для получения энергии многократно или запасы их в природе настолько велики, что человечество не сможет их исчерпать не только в обозримом будущем, но и на длительную перспективу:
- солнечное излучение (гелиоэнергетика);
- энергия ветра (ветроэнергетика);
- энергия рек и водотоков (гидроэнергетика);
- энергия приливов и отливов;
- энергия волн;
- геотермальная энергия;
- рассеяна тепловая энергия (тепло воздуха, воды, океанов, морей и водоемов);
- энергия биомассы – растительного и животного происхождения, бытовых отходов антро-погенной деятельности, органические отходы целлюлозно-бумажной, деревообрабатываю- щей и лесной промышленности, лесозаготовок.
Для проведения сравнительного анализа источников необходимо договориться о конечной форме энергии, которая затем утилизируется человеком.

На основании изложенных выше соображений следует предложить, что таким видом энер-гии является электрическая – как наиболее распространенная и относительно просто преоб-разуемая в другие виды. С этой целью необходимо составить структурную схему преобразо-вания энергии исходного источника в электрическую, которая представлена на рис. 1.
Рассмотрим на примере угольной ТЭС мощностью 2400 МВт реализацию технологическо-го процесса получения электроэнергии в соответствии со схемой рис.1.

Из приведенной схемы видно, что из 100% энергии, накопленной в источнике (угле), только 30% преобразовано в электроэнергию, т.е. КПД преобразователя составляет 0,3. Некоторого повышения КПД можно достичь усовершенствованием отдельных элементов преобразовате-ля, однако существенного прироста его ожидать не приходится без радикального изменения структуры преобразователя.

При сжигании жидкого и газообразного топлива затраченные материаль-ные ресурсы практически полностью превращаются в отходы.
В зависимости от свойств первичных энергетических ресурсов (марок угля, торфа, газа, го-рючих сланцев и т.д.), используемых для производства тепла и электроэнергии, энергетичес-кие предприятия в различной степени загрязняют окружающую среду отходами своего произ-водства. Заметную конкуренцию ТЭС в последнее время составляют АЭС. В таких странах, как Франция, Япония электроэнергия, выработанная на них, является основной. В последнее время и Китай уделяет повышенное внимание развитию атомной энергетики.
Сопоставляя затраты на очистку газообразных выбросов АЭС и ТЭС необходимо отме-тить, что установка уловителей вредных примесей дымовых газов в виде твердых частиц на последних удорожает стоимость 1 кВт установленной мощности до 5%, а при улавливании двуокиси серы – до 25…50%. Поглощение радиоактивных изотопов из газообразных выбро-сов АЭС удорожает стоимость 1 кВт установленной мощности до 10…12%.
Наиболее «чистое» производство осуществляется на установках, использующих гидроресурсы (ГЭС), энергию приливов (ПЭС), солнечную энергию (СЭС), энергию ветра (ВЭС), тепло геотермальных источников (ГеоТЭС). Однако доля участия этих источников в покрытии мировой потребности в энергии незначительна, тенденции роста их невелики, поэтому развитие энергетики на базе этих источников не снизит остроты проблемы защиты окружающей среды. Сравнивая различные виды энергии необходимо, прежде всего, оценить и сопоставить их роль в жизни человека, качество, основное назначение, возможность получения, использования, транспортировки, аккумулирования, экологичности, надежности и безопасности. В процессе развития человек научился использовать практически все виды

энергии. Однако доля каждого вида в балансе общего энергопотребления различна. Тепловая энергия может быть получена, как непосредственно из окружающей среды, так и в результате преобразования из других видов энергии. Хранение её невыгодно вслед-ствие трудности осуществления изоляции теплоносителя (а ими являются материальные тела) от окружающей среды, что неизбежно ведет к теплообмену и понижению температуры.
Механическая энергия в свободном виде в природе не существует. Она проявляется опосредованно, например, в виде кинетической энергии воды (морские приливы и отливы, течение рек, цунами) или потенциальной – водопады. Хранение энергии возможно в виде кинетической (вращающийся маховик), либо в виде потенциальной (энергия сжатой пружи-ны, поднятого груза и т.д.). Однако хранение в таком виде неэффективно вследствие потерь в трущихся частях накопителя (маховик) либо из-за явления усталости (пружина). Транспор-тировка энергии неприемлема вследствие больших потерь в элементах передачи. Гравитационная энергия на Земле проявляется в основном опосредованно через морские приливы и отливы и может быть использована главным образов для преобразова-ния в другие виды.
Электрическая энергия в природе существует в виде статических электрических по-лей и вызываемых ими электрических разрядов (молний). В результате развития науки и техники человек изобрел способы получения электрической энергии их других источников энергии,причём в таких видах, которые не встречаются в природе (однофазные и многофаз-ные источники различной частоты, формы тока и пр.); хранения ее (главным образом в акку-муляторах постоянного тока); транспортировки (линии электропередач на постоянном и трёхфазном переменном токе).

Ядерная энергия может быть получена двумя путями: в процессе цепной управляемой реакции деления ядер атомов либо в процессе управляемого термоядерного синтеза. В обо-их случаях в процессе реакции выделяется тепловая энергия, преобразуемая далее в элек-трическую энергию. Отличительной особенностью руд является их самопроизвольный рас-пад, что со временем приводит к истощению запасов сырья.
Химическая энергия (или энергия, выделяющаяся в результате химических реакций) проявляется в виде тепла, которое можно преобразовать в другой вид энергии. В некоторых реакциях на промежуточной стадии выделяются свободные электроны, которые используют-ся, например, в топливных элементах для получения электрического тока. Хранение и транс-портировка энергии возможна лишь в виде сырья для химических реакций.
Лучистая энергия (главным образом получаемая от Солнца) может быть получена с по-
мощью зеркал либо фотоэлектрического эффекта. Хранение и транспортировка невозможны
без преобразования в другие виды энергии.
3. Любая продукция произведенная человеком, в том числе и энергия, характеризуется це- лым рядом показателей, одним из которых является качество. Поскольку, как выяснилось выше, наиболее распространенной и приспособленной для нужд человека является электро-
энергия, остановимся подробно на ее качестве.
Качество электрической энергии определяется ГОСТ 13109-97, который устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии (КЭ) в электрических сетях систем элек-
троснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50

Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности
различных потребителей электрической энергии, или приемники электрической энергии
(точки общего присоединения).
Установлены два вида норм показателей КЭ: нормально допустимые и предельно допустимые.
Показателями КЭ являются:
- установившееся отклонение напряжения δUy;
- размах изменения напряжения δUt;
- доза фликера Рt (фликер — субъективное восприятие человеком колебаний светового по-
тока источников искусственного освещения, вызванного колебаниями напряжения в электри-
ческой сети, питающей эти источники);
коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения КU;
коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения КU(n);
- коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К2U;
- коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности К0U;
- отклонение частоты Δf;
- длительность провала напряжения Δtп;
- импульсное напряжение Uимп;
- коэффициент временного перенапряжения Кпер U.
В качестве примера приведем конкретные требования по некоторым показателям.