Это перевод статьи "Which types of power generating plants are worth planning and constructing nowadays?" с сайта EEP - Electrical Engineering Portal. Это англоязычный информационный сайт, на котором можно найти много полезных статей, руководств и документов по различным темам электротехники и электроэнергетики.
Исходная статья была аккуратно переведена и творчески переработана.
Какие виды электростанций стоит планировать и строить в настоящее время?
Это вопрос, на который нет однозначного ответа, так как разные типы электростанций имеют свои преимущества и недостатки с точки зрения экономики, экологии, надежности и эффективности.
Электростанции являются одним из крупнейших объектов инвестиций в любой стране. Каждая страна должна разумно и тщательно спланировать свои настоящие и будущие энергетические возможности.
Существуют различные стандартные методы производства электрической энергии, которые включают в себя сжигание топлива и использование возобновляемых источников энергии, таких как ветер, солнце, вода и геотермальные ресурсы. Эти методы относятся к традиционным способам получения электрической энергии.
Однако, каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, которые нужно учитывать при выборе оптимального варианта для конкретной страны или региона.
Например, сжигание топлива обеспечивает высокую мощность и надежность, но также вызывает загрязнение атмосферы и потребление необновляемых ресурсов. Возобновляемые источники энергии, наоборот, являются экологичными и бесконечными, но также имеют низкую эффективность и зависят от погодных условий.
Часто природные ресурсы находятся далеко от потребителей энергии. В большинстве случаев возобновляемые источники энергии расположены в отдаленных местах, а электрическая энергия передается к потребителям по длинным линиям электропередачи. Это увеличивает потери энергии и стоимость транспортировки.
Электростанции, работающие на топливе, обычно строятся поближе к потребителям, а топливо доставляется на станцию. Это снижает расходы на инфраструктуру и обеспечивает более быстрый доступ к энергии. Поэтому, при планировании энергетической стратегии, необходимо учитывать не только количество и качество энергии, но и ее распределение и доступность.
Также важно искать новые и инновационные способы производства и передачи электрической энергии, которые будут сочетать в себе высокую эффективность, низкую стоимость и минимальный экологический ущерб.
Для выбора типа электростанции необходимо учитывать множество важных факторов: местоположение, площадь, передача и распределение электрической энергии, капитальные затраты, эксплуатационные расходы, затраты на обслуживание, затраты на транспортировку топлива, экологические последствия, время запуска станции, потери в резервном режиме и общая эффективность. В этой статье мы рассмотрим основные факты и характеристики различных видов электростанций.
Солнечная электростанция (фотоэлектрическая электростанция)
Солнечная электростанция - это один из самых простых и экологичных способов производства электрической энергии. Она состоит из большого количества фотоэлектрических (PV) панелей, которые устанавливаются на ровной поверхности и ориентируются в сторону солнца.
Панели поглощают солнечные лучи и преобразуют их в электрическое напряжение постоянного тока. Затем напряжение преобразуется в переменный ток в инверторах и подводится к трансформаторам, которые повышают его до нужного уровня и передают его по линиям электропередачи к потребителям, находящимся на расстоянии от PV-фермы.
PV — это аббревиатура от английского слова photovoltaic, что означает фотоэлектрический. Фотоэлектрические панели — это устройства, которые преобразуют солнечный свет в электричество с помощью фотоэффекта. Фотоэффект — это явление, при котором свет, падая на некоторые материалы, вызывает высвобождение электронов из их атомов. Эти электроны могут быть собраны и использованы для создания электрического тока.
Солнечные электростанции часто называют PV-фермами, потому что они состоят из множества фотоэлектрических (PV) панелей, которые преобразуют солнечный свет в электричество. PV-ферма — это аналогия с сельскохозяйственной фермой, где выращиваются растения или животные.
PV-фермы обычно располагаются на больших открытых пространствах, где есть достаточно солнечной радиации, и подключаются к электрической сети или аккумуляторам. PV-фермы могут быть разных типов и мощностей, в зависимости от целей и условий эксплуатации.
Для увеличения выходной мощности системы используются солнечные трекеры, которые отслеживают движение солнца от восхода до заката и поворачивают панели за ним. Существуют станции с установленной мощностью в тысячу мегаватт и более.
Мощность одной панели зависит от ее размера, типа и качества материала. Например, панель мощностью 200 Вт может производить около 220 кВтч энергии в год, что эквивалентно 0,6 кВтч в день. Эффективность преобразования панели - это доля солнечного излучения, падающего на PV-устройство, которая преобразуется в электрическую энергию, которую можно использовать. Эффективность фотоэлектрического преобразования обычно составляет от 15% до 20%, в зависимости от таких факторов, как температура, угол отслеживания и время суток.
Солнечные электростанции состоят из следующих основных компонентов:
- Массивы фотоэлектрических (PV) панелей, установленных на стационарных креплениях или на солнечных трекерах, которые поворачивают панели за солнцем и увеличивают их эффективность. Обычно для фотоэлектрических станций используются панели с пиковой мощностью 200 Вт, что означает, что они могут выдавать максимальный ток при прямом попадании солнечных лучей..
- Электропроводка для сбора электрической энергии постоянного тока (DC).
- Инверторы для преобразования постоянного тока (DC) в переменный ток (AC).
- Трансформаторы для повышения или понижения напряжения для целей распределения.
- Сбор данных для контроля состояния электростанции.
- Оборудование для гдобавления реактивной мощности.
- Линии и цепи распределения для передачи электрической энергии в сеть или индивидуальным пользователям.
Добавление реактивной мощности в фотоэлектрических электростанциях - это процесс, который позволяет улучшить качество электрической энергии, подаваемой в сеть от фотоэлектрических модулей.
Реактивная мощность - это мощность, которая не совершает полезную работу, но необходима для поддержания напряжения и тока в фазе. Реактивная мощность может быть положительной или отрицательной, в зависимости от того, является ли нагрузка индуктивной или ёмкостной.
Фотоэлектрические модули могут добавлять реактивную мощность в сеть с помощью специальных устройств, таких как инверторы, регуляторы, конденсаторы или реакторы.
При более низкой температуре панели преобразуют более эффективно. Любое снижение температуры на 10 градусов Цельсия на модуле приводит к улучшению рабочего поведения фотоэлектрических ячеек на 4,5%. При 85 градусах Цельсия (185 градусах по Фаренгейту) ячейки теряют свою способность фокусироваться.
На солнечной электростанции ожидается, что коэффициент использования мощности будет где-то в пределах тридцати процентов от установленной мощности панели. Учитывая, что в ночное время солнечного входа нет, это предполагает, что в течение дневных часов есть разброс солнечного входа.
Преимущества солнечных электростанций:
- относительно дешевое производство,
- отсутствие выбросов вредных веществ,
- простота обслуживания,
- низкая стоимость обслуживания,
- долговечность,
- возможность расширения.
Недостатки солнечных электростанций:
- высокая капитальная стоимость за киловатт-час,
- необходимость большой площади,
- удаленность от центров нагрузки,
- непредсказуемость энергоснабжения,
- низкий коэффициент использования мощности,
- работа только в дневное время,
- значительные потери выходной мощности,
- потери энергии при транспортировке,
- неспособность обеспечить реактивную мощность,
- проблемы, связанные с ветровыми условиями.
Коэффициент использования мощности электростанции - это показатель эффективности работы электростанции, который равен отношению фактически выработанной электроэнергии за определенный период времени к теоретической энерговыработке при работе на полную установленную мощность за тот же период.
Коэффициент использования мощности электростанции зависит от многих факторов, таких как техническое состояние оборудования, квалификация персонала, спрос на электроэнергию, погодные условия и другие. Чем выше коэффициент использования мощности электростанции, тем более эффективно она использует свои ресурсы и тем меньше затрат на топливо и обслуживание.
Тепловые солнечные электростанции башенного типа
Тепловые солнечные электростанции башенного типа (концентрированные солнечные электростанции) - это вид солнечных электростанций, которые используют центральный приемник в виде башни для сбора концентрированного солнечного излучения от группы регулируемых гелиостатов.
Гелиостаты - это зеркала, установленные на стойках, которые поворачиваются за солнцем и отражают его лучи на приемник. Фотоэлектрические панели не используются в этом типе электростанций.
Для эффективной работы тепловой солнечной электростанции башенного типа необходимо выполнение нескольких условий:
- Во-первых, гелиостаты должны быть расположены на ровной поверхности, в основном на северной стороне башни в северном полушарии, чтобы иметь максимальную экспозицию к солнцу.
- Во-вторых, гелиостаты должны иметь двухосевые трехмерные трекеры, чтобы поддерживать точную фокусировку в течение всего дня.
- В-третьих, приемник должен быть способен выдерживать высокие температуры, достигаемые при концентрации солнечного излучения до 600 раз.
Одним из преимуществ тепловой солнечной электростанции башенного типа является возможность производить высокотемпературный теплоноситель (HTF), который затем используется для работы традиционного энергетического цикла.
Высокотемпературный теплоноситель (HTF) — это жидкость или газ, которая переносит тепловую энергию от источника тепла к потребителю. HTF может быть использована для нагрева воды, пара, воздуха или других сред, которые затем приводят в движение турбины или другие устройства для производства электричества. HTF также может быть использована для хранения тепла в теплоаккумуляторах, чтобы обеспечить непрерывную работу электростанции в темное время суток или при облачности.
Одним из видов HTF является высокотемпературный органический теплоноситель (ВОТ), который состоит из синтетических или минеральных масел, стойких к высоким температурам. ВОТ имеет низкую упругость паров, высокую термическую стойкость и отсутствие коррозионного воздействия на материалы системы. ВОТ применяется в теплообменных аппаратах, котлах-утилизаторах и термомасляных котлах для различных промышленных и энергетических целей.
Среда нагрева может достигать температуры свыше 600-700 °C, что позволяет повысить эффективность преобразования энергии и снизить затраты на топливо.
Кроме того, тепловая солнечная электростанция башенного типа имеет короткую трубопроводную систему, расположенную только внутри башни и отдельных гелиостатов, что уменьшает потери тепла и давления.
Однако, тепловая солнечная электростанция башенного типа также имеет ряд недостатков, которые нужно учитывать при ее проектировании и эксплуатации. Один из них - это зависимость от погодных условий, особенно от ветра. Ветер может заставить зеркала дрожать, что приводит к рассеянной фокусировке, которая может снизить теплообмен на 50%.
Другой недостаток - это необходимость большой площади для установки гелиостатов, которая может быть ограничена природными или антропогенными факторами. Поэтому, при выборе тепловой солнечной электростанции башенного типа нужно проводить тщательный анализ ее технических и экономических характеристик, а также сравнивать их с другими видами солнечных электростанций.
Преимущества тепловой солнечной электростанции:
- производят более дешево и эффективно, чем фотоэлектрические установки.
- имеют возможность производить реактивную мощность.
Недостатки тепловой солнечной электростанции:
- требуют большой площади,
- имеют высокую капитальную стоимость за кВт*ч,
- расположены в отдаленном месте от центров нагрузки,
- зависимость от погодных условий,
- невозможно оценить поставку мощности,
- имеют низкий коэффициент использования мощности,
- имеют значительные потери выходной мощности и проблемы с ветром.
Ветряные электростанции (ветряные фермы)
Ветряная электростанция производит электрическую энергию с помощью ветряной турбины.
Ветряные турбины - это устройства, которые преобразуют кинетическую энергию ветра в механическую энергию вращения. Мощность турбин может варьироваться от 1 до 7 мегаватт в зависимости от размера, типа и конструкции.
Ветряная ферма — это комплекс ветряных электростанций, которые используют силу ветра для производства электрической энергии. Ветряные фермы обычно расположены на открытых пространствах, где есть достаточный ветровой потенциал, и могут быть как наземными, так и морскими.
Генератор турбины преобразует механическую энергию в электрическую постоянного тока. Этот ток преобразуется с помощью инвертора, который регулирует частоту и напряжение в соответствии с требованиями электрической сети.
Трансформаторы ветряных турбин повышают напряжение до 33 киловольт и подводят его к главной подстанции, где он соединяется с большими трансформаторами, которые передают энергию к дальним центрам нагрузки по линиям электропередачи. Стоимость ветряной энергии обычно составляет от 0,04 до 0,06 доллара США за кВт·ч при коэффициенте использования мощности 30%.
Ветряная энергия конкурентоспособна по стоимости за кВт·ч, но требует высоких начальных затрат на строительство и обслуживание.
Места для ветряных ферм должны быть выбраны с учетом ряда факторов, таких как скорость и направление ветра, доступность линий передачи, автомобильных дорог и близкого рынка, а также экологические и общественные последствия. Места, расположенные далеко от городских районов, требуют установки длинных линий передачи для транспортировки электрической энергии в города, что увеличивает затраты на разработку и строительство.
Перед началом строительства ветряной фермы разработчик должен провести подробное исследование места, собрать метеорологические данные не менее одного года, оценить экономическую эффективность проекта, получить необходимые разрешения и согласования.
Поскольку большинство ветряных ферм строятся на частных землях, разработчик и землевладелец должны заключить договор аренды, который определяет условия использования земли, выплаты арендной платы и ответственность сторон. Затем разработчик заключает договор с местной электрокомпанией о продаже произведенной электрической энергии по фиксированной или плавающей цене.
Для постройки ветряной фермы разработчик привлекает инженерно-строительную фирму, которая отвечает за подбор и доставку оборудования, монтаж и наладку турбин, подключение к сети и тестирование. После строительства ветряная ферма может быть продана независимому оператору или остаться в собственности разработчика. Электрокомпании также могут владеть и управлять ветряными фермами.
Преимущества ветряной электростанции:
- низкая стоимость производства,
- возобновляемый источник энергии,
- отсутствие выбросов загрязняющих веществ.
Недостатки ветряной электростанции:
- требует большой площади,
- мощность непредсказуема,
- используется только при наличии ветра,
- сложная транспортировка лопастей,
- высокая установочная стоимость за кВт·ч,
- удаленность от центров нагрузки,
- большие потери выходной мощности,
- проблемы с ветровой турбулентностью,
- требует импорта реактивной мощности на главной и блочных подстанциях.
Гидроэлектростанция (ГЭС)
Гидроэлектростанции - это станции, которые производят электрическую энергию, используя воду для привода турбин и генераторов.
Существует множество видов гидроэлектростанций, которые используются, включая водохранилища и дамбы, речные хранилища и насосные хранилища. Каждая из гидроэлектростанций приводится в движение кинетической энергией, которая образуется водой при ее движении вниз по течению.
Мощность выхода станции определяется взаимодействием между напором воды (высотой) и расходом воды.
Мощность можно вычислить по формуле:
P=9.81 х W х QH х КПД х 10-3 кВт,
где: P - мощность, W - удельный вес воды в кг/м3, Q - расход в м3/с, H - высота падения (напор) в метрах, КПД - общий КПД работы.
Еще одним фактором, который следует учитывать при оценке мощности гидроэлектростанции, является ежедневный и еженедельный цикл работы.
Ежедневный и еженедельный цикл работы гидроэлектростанции влияет на её мощность, потому что он определяет, как меняется спрос на электроэнергию в течение дня и недели. Гидроэлектростанции могут работать в разных режимах: базовом, пиковом, маневренном или регулирующем.
В базовом режиме гидроэлектростанция вырабатывает постоянную мощность, равную среднему спросу на электроэнергию. В пиковом режиме гидроэлектростанция вырабатывает дополнительную мощность, чтобы покрыть повышенный спрос в определённые часы дня или дни недели. В маневренном режиме гидроэлектростанция быстро изменяет свою мощность в зависимости от колебаний спроса. В регулирующем режиме гидроэлектростанция поддерживает частоту и напряжение в электрической сети, компенсируя возможные отклонения от нормы.
В случае гидроэнергетики цель состоит в том, чтобы наиболее эффективно использовать воду, особенно во влажные сезоны, чтобы предотвратить любые проливы.
Строительство гидроэлектростанций с коэффициентом использования мощности в сто процентов - редкое явление. Очень редко бывает, что гидропроект работает с коэффициентом использования мощности в пятьдесят процентов, однако строятся гидроэлектростанции с прогнозируемым годовым коэффициентом использования мощности в двенадцать процентов.
Другими словами, станция, имеющая установленную мощность 100 мегаватт и прогнозируемый коэффициент использования мощности в 12 процентов, способна производить в среднем за день всего 12 мегаватт в течение всего года, исходя из ожидаемого количества доступной воды.
Производство энергии происходит, когда есть достаточное количество воды, чтобы опустить ее до минимального уровня, необходимого для работы. Производство энергии ниже минимального рабочего уровня будет чрезвычайно неэффективным использованием водных ресурсов, и может быть сложно восстановиться до более высоких, более эффективных рабочих уровней, если это произойдет.
Эти станции, имеющие низкий коэффициент использования мощности, могут использоваться для базовой нагрузки в дождливые сезоны. Кроме того, они могут использоваться в качестве пиковых станций из-за своей способности быстро запускаться, что является преимуществом в те времена, когда предельная стоимость энергии наибольшая.
С другой стороны, станция, работающая на ископаемом топливе, имеет значительно более высокую эксплуатационную стоимость и скорее всего будет использоваться для пиковых задач в ежедневном цикле. В результате общая экономическая эффективность строительства станции, работающей на ископаемом топливе, в регионе, имеющем различные виды генерации, должна рассчитываться на основе низкого количества часов, когда станция работает.
Преимущества гидроэлектростанций:
- низкая стоимость производства,
- возможность использования в качестве базовой или пиковой мощности,
- способность быстро запускаться в течение одной минуты,
- подходит для колеблющегося спроса,
- ресурс также может использоваться в качестве резервного источника,
- может быть построена так, чтобы работать в качестве синхронного конденсатора для подачи реактивной энергии в сеть,
- легко эксплуатировать и обслуживать,
- имеет КПД 80-85%
Недостатки гидроэлектростанций:
- коэффициент использования мощности может варьироваться от 15 до 50 процентов,
- количество воды, поступающей в дамбу,
- непредсказуемо из года в год,
- капитальные затраты на гражданские работы, создающие водосбор и основную дамбу, значительны.
Дизельные электростанции
Дизельная электростанция - это электростанция, которая использует жидкое или газообразное топливо, смешанное с окружающим воздухом, в качестве рабочего тела. Во время такта всасывания бензин сжимается и воспламеняется в цилиндрах. Тепловая энергия преобразуется в механическую энергию, которая приводит в движение поршни и вращает электрический генератор.
Дизельные электростанции строятся для отдаленных поселений и морских судов. Обычно они работают как непрерывная базовая генерация, круглосуточно обеспечивая электрической энергией промышленные объекты и жилые районы.
Базовые двигатели - это медленноходные двигатели с частотой вращения 400-900 об/мин, предназначенные для непрерывной работы. Отработанное тепло низкого и высокого качества может использоваться для зимнего отопления и промышленных целей, повышая эффективность установки с 40% до 80%.
Дизельная генерация предпочтительна на промышленных объектах, расположенных в отдаленных местах, где нет доступа к электрической сети. Дизельная генерация является надежным и экономически выгодным вариантом для удаленных или изолированных районов, с конкурентоспособными начальными капитальными и эксплуатационными расходами.
Эффективная работа удаленных объектов имеет важное значение из-за высокой стоимости доставки дизельного топлива. Обслуживание дизельного двигателя также может влечь за собой высокие затраты. В Арктике перевозка дизельного топлива часто происходит только в зимние месяцы, когда озера и реки замерзают.
Установки, работающие со средней скоростью, используют около 0,225 кг топлива на киловатт-час произведенной энергии. Двигатели с более низкой базовой нагрузкой требуют около 0,192 килограмма топлива на киловатт-час произведенной энергии.
Восстановление отработанного тепла от двигателя для использования в производственных процессах и отоплении помещений может повысить эффективность использования топлива с 40% до более 80%.
Дизельные двигатели работают наиболее эффективно, когда они загружены на 85% или более своей мощности. Продолжительная работа двигателей при сниженных уровнях мощности снижает эффективность и повышает вероятность засорения и неисправности.
Дизельные генераторы обычно работают с эффективностью 42% при полной нагрузке и 37% при 50% нагрузке, не учитывая вспомогательную нагрузку установки. В зимние месяцы общая эффективность достигает примерно 80% за счет использования отработанного тепла от двигателей. В летние дни избыточное тепло может потребоваться отводить в атмосферу.
Преимущества дизельных электростанций:
- низкая начальная инвестиция,
- быстрый монтаж,
- отличная эффективность,
- использование отработанного тепла,
- быстрый запуск двигателя,
- идеально подходит для маленьких отдаленных поселений,
- подходит для пикового спроса.
Недостатки дизельных электростанций:
- высокая стоимость топлива,
- проблемы с загрязнением окружающей среды,
- шумность.
Газотурбинные электростанции
Газотурбинная электростанция - это электростанция, которая преобразует энергию жидкого или газообразного топлива в электрическую энергию с помощью газотурбинных двигателей.
Газотурбинный двигатель - это двигатель, который сжимает воздух, смешивает его с топливом (обычно природным газом или керосином) и сжигает его в камере сгорания. Горячий газ, образующийся при сгорании, расширяется и проходит через турбину, вращая ее и генератор, подключенный к ней. Генератор вырабатывает электрический ток постоянного или переменного напряжения. Отработанный газ выбрасывается в атмосферу через выхлопную трубу.
Газотурбинные электростанции имеют ряд преимуществ, таких как высокая мощность, надежность, простота управления, малый вес и габариты, быстрый запуск и остановка, а также возможность использования различных видов топлива. Однако, они также имеют низкий уровень эффективности, который составляет около 30% для простых циклов турбин. Это означает, что большая часть энергии топлива теряется в виде тепла.
Для повышения эффективности газотурбинных электростанций применяются различные методы, такие как рекуперация, совместная генерация и комбинированный цикл.
Рекуперация - это метод, который использует тепло отработанных газов для предварительного нагрева воздуха перед его подачей в камеру сгорания. Это позволяет снизить расход топлива и увеличить мощность турбины.
Совместная генерация - это метод, который использует тепло отработанных газов для производства пара, который затем используется для отопления, охлаждения или других целей. Это позволяет повысить полезность энергии топлива и снизить выбросы вредных веществ.
Комбинированный цикл - это метод, который сочетает в себе газотурбинный и паротурбинный циклы. Пар, производимый от тепла отработанных газов, подводится к паровой турбине, которая также вращает генератор. Это позволяет значительно повысить эффективность электростанции, достигая до 60% и более. Газотурбинные электростанции строятся с несколькими турбинными установками, каждая из которых имеет мощность от 10 до 250 мегаватт (МВт).
Мощность электростанции зависит от количества и типа турбин, а также от применяемых методов повышения эффективности. Тепловые нормы для простых циклов турбин таких электростанций обычно колеблются от 11000 до 20000 БТЕ/кВт-ч, в зависимости от производителя. Однако эти цифры уменьшаются с включением рекуперации, совместной генерации и комбинированного цикла.
БТЕ — это британская тепловая единица, которая используется для измерения тепловой энергии. Она определяется как количество тепла, необходимое для повышения температуры одного фунта воды на один градус по Фаренгейту. Одна БТЕ эквивалентна примерно 252 калориям или 1055 джоулям. Для перевода БТЕ в киловатт-часы (кВт-ч) нужно разделить БТЕ на 3412,142.
Газотурбинные электростанции обычно имеют высокую надежность, достигающую 99% при первоначальном запуске и 98% при эксплуатации. Однако, работа турбин существенно зависит от условий эксплуатации, таких как температура, давление и влажность воздуха, высота над уровнем моря, скорость и направление ветра и другие. Эти факторы влияют на плотность воздуха, который подается в турбину, и на эффективность сжигания топлива.
Турбина испытывает фактор ухудшения около 3,5% при каждом повышении высоты на 1000 футов (304,8 метров), тогда как окружающая температура ухудшается с аналогичной скоростью при каждом повышении на 10°. Поэтому, при выборе места для газотурбинной электростанции нужно учитывать климатические условия и подбирать оптимальный тип турбины.
Газотурбинные электростанции имеют ряд преимуществ:
- низкая капитальная стоимость,
- быстрое строительство электростанции,
- возможность восстановления тепловых потерь,
- быстрый запуск двигателя для пиковой нагрузки, подходит для малых отдаленных сообществ.
Недостатки газотурбинных электростанций:
- высокая стоимость топлива,
- проблемы с выбросами в окружающую среду.
Тепловые электростанции
Тепловая электростанция (ТЭС) - это тип электростанции, которая работает на ископаемом топливе. Она использует сжигание угля, природного газа, отходов или нефти для получения пара высокого давления и температуры в котле. Этот пар затем используется для привода паровых турбин, которые в свою очередь приводят электрические генераторы.
Для обеспечения непрерывной работы и базовой нагрузки тепловые электростанции проектируются для строительства в масштабах. Большинство станций используют один или два блока мощностью 400-600 МВт каждый. Для обработки и хранения угля на угольных станциях требуется большое количество инфраструктуры.
Агентство по охране окружающей среды (EPA) требует, чтобы на выхлопных трубах устанавливались очистители, чтобы контролировать загрязнение. При контроле газообразных выбросов, особенно кислотных газов, очистители являются одним из самых важных устройств контроля. Кроме того, контроль загрязнения увеличивает нагрузку на станцию, что в свою очередь приводит к значительному снижению эффективности работы станции.
Агентство по охране окружающей среды (EPA) - это федеральное правительственное агентство США, чьей миссией является защита здоровья человека и окружающей среды. EPA регулирует производство, переработку, распространение и использование химикатов и других загрязнителей, а также разрабатывает и следит за исполнением норм, основанных на законах, принятых Конгрессом. EPA было создано в 1970 году президентом Ричардом Никсоном в ответ на растущее общественное беспокойство по поводу загрязнения воздуха, воды и почвы.
Тепловая энергия является основным и наиболее надежным источником производства электрической энергии во многих странах мира. Например, в Индии около 60% электрической энергии производится паровыми станциями. Индия обладает значительным запасом угля - более 170 миллиардов тонн, что ставит ее на пятое место в мире.
Паровые электростанции используют тепло, выделяемое при сжигании ископаемого топлива, для получения высокого давления и высокой температуры пара в котлах. Этот пар используется для питания паровых турбин или паровых двигателей, соединенных с генераторами, для производства электрической энергии.
Паровые турбины или паровые двигатели на паровых электростанциях служат первичными двигателями и также питают вспомогательное оборудование, такое как насосы, топливоподачи и вентиляторы.
Паровые электростанции могут быть поставлены для производства только электрической энергии или для производства электрической энергии и пара для различных промышленных процессов, таких как целлюлозно-бумажные заводы, текстильные заводы, сахарные заводы, нефтеперерабатывающие заводы, химические производства, производство пластика и пищевой промышленности.
Пар отбирается из определенной области турбины для технологических целей, а остальной пар допускается расширяться в турбине. Или же пар, выходящий из выхлопной трубы, может быть использован для промышленных процессов.
Тепловые станции могут быть как частными промышленными объектами, так и центральными станциями. Электростанция должна быть расположена близко к центру нагрузки, чтобы снизить затраты и потери на передачу.
Системы переменного тока позволяют переводить энергию между разными уровнями напряжения, что позволяет размещать электростанции дальше от нагрузки, если имеются благоприятные условия.
Для получения пара, необходимого для работы, требуется значительное количество угля. Учитывая, что цель правительства - использовать только низкосортный уголь, содержащий 30-40% золы, для производства электрической энергии, паровые электростанции должны быть расположены близко к угольным шахтам, чтобы избежать транспортировки угля и золы по всей стране.
Преимущества тепловых электростанций:
- базовая нагрузка,
- низкая капитальная стоимость за кВт*ч,
- высокий коэффициент использования мощности: от 60 до 70%.
Недостатки тепловых электростанций:
- контроль загрязнения,
- медленный запуск,
- высокие потери при резервном режиме работы.
Атомные электростанции
Атомная электростанция (АЭС) - это электростанция, которая получает электрическую энергию из тепла, выделяющегося при ядерном делении урана. Для этого на АЭС установлены ядерные реакторы, в которых происходит контролируемая цепная реакция деления ядер топлива. Тепло, выделяющееся в реакторе, передается через теплообменник к парогенератору, где образуется перегретый пар. Пар под давлением приводит в движение турбину, которая в свою очередь вращает генератор, вырабатывающий электрический ток.
В зависимости от конструкции реактора, для управления ядерной цепной реакцией в активной зоне реактора могут использоваться разные среды, такие как простая вода, твердый углерод или дейтериевый оксид (тяжелая вода D2O). Эти среды служат для замедления нейтронов, инициирующих деление ядер, и для регулирования скорости реакции. Отработанное топливо, содержащее очень радиоактивные продукты деления, извлекается из реактора и хранится в специальных водяных бассейнах на территории АЭС.
Атомные электростанции имеют следующие преимущества:
- высокая конечная рентабельность и низкая стоимость электроэнергии,
- отсутствие выбросов в атмосферу продуктов сгорания и парниковых газов,
- небольшое количество топлива и широкое его распространение в мире,
- независимость от погодных условий и сезонных колебаний спроса.
Недостатки атомных электростанций:
- потенциальная опасность радиоактивного заражения окружающей среды при аварии или террористическом акте,
- проблема переработки и хранения отработанного ядерного топлива и радиоактивных отходов,
- cодействие в разработке атомного оружия и распространению ядерных технологий,
- высокие начальные затраты на строительство и обслуживание.
Будущая жизнеспособность ядерной энергетики зависит от ее способности быть конкурентоспособной альтернативой для выработки электрической энергии.
Атомная энергетика привлекательна из-за низких затрат на топливо и отсутствия прямых загрязнений или выбросов парниковых газов. Однако новая атомная электростанция требует значительно больших первоначальных капитальных затрат по сравнению с конкурирующими технологиями, что приводит к повышению общей стоимости выработки новой ядерной энергии по сравнению с альтернативами, такими как уголь и природный газ.
Для полного понимания экономики атомной энергетики важно знать ее структуру затрат и факторы, которые на них влияют. Затраты на производство атомной энергии можно разделить на три основные категории: капитальные затраты, финансовые затраты и операционные затраты.
Капитальные затраты являются основной статьей расходов при производстве атомной энергии и обычно выражаются в виде стоимости без учета финансирования.
К капитальным затратам относятся многие расходы, такие как затраты на проектирование, закупку и строительство, которые включают в себя расходы на возведение станции, включая оборудование, материалы и труд. Это типичная оценка стоимости, предоставляемая поставщиком реактора.
Затраты владельца значительно варьируются в зависимости от места строительства и включают в себя такие пункты, как земля, охлаждающая инфраструктура, административные и сопутствующие здания, подготовка площадки, подстанции, управление проектом, лицензии, обучение персонала и трансмиссионная инфраструктура и т.д. Поставщики добавляют резервные затраты для покрытия непредвиденных расходов. Эти расходы могут быть обсуждены, и правительства могут согласиться их покрыть.
При оценке экономической конкурентоспособности важно различать существующие атомные электростанции и новые атомные электростанции. Старые атомные электростанции являются конкурентоспособными из-за значительного возврата капитальных затрат.
Атомные блоки имеют более низкие переменные затраты по сравнению с генераторами на ископаемом топливе. Однако новые атомные электростанции экономически не конкурентоспособны из-за их больших начальных затрат.
В настоящее время экономическая жизнеспособность зависит от следующих факторов:
- высокие капитальные затраты,
- длительные сроки строительства, связанные с помехами по инженерии и управлению, регулирующими задержками и общественным противодействием,
- относительно дешевое производство электроэнергии из других источников топлива.
Атомная энергетика имеет значительно более высокие капитальные затраты по сравнению с другими способами производства энергии, требуя значительных финансовых вложений на длительный срок. Сложность атомных электростанций, а также строгие требования к безопасности и защите на этапах проектирования и строительства приводят к длительной процедуре лицензирования.
Длительность строительной фазы значительно влияет на конкурентоспособность атомной энергетики из-за ее влияния на финансовые затраты. Проценты по заемным средствам накапливаются во время строительства завода. Увеличение сроков строительства и перерывов приводит к повышению процентных расходов, которые необходимо погасить, когда завод начинает производить энергию. Для повышения конкурентоспособности атомной энергетики необходимо строить новые атомные объекты с более строгими сроками.
Типичные коэффициенты использования мощности для электростанций
Тепловая электростанция
Ожидаемый коэффициент использования мощности составляет 60-65%. Тепловая электростанция мощностью 4000 МВт (4 х 1000 МВт) производит годовую энергию 21725000 МВт·ч.
Годовой коэффициент использования мощности (Cfa) - это отношение фактического выхода электрической энергии электростанции за год к теоретическому максимальному выходу электрической энергии, если бы станция работала на полную мощность в течение всего года. Это показатель того, насколько эффективно и последовательно станция использует свою установленную мощность.
Формула для расчета ежегодного коэффициента использования мощности имеет вид:
Cfa = Plantcapacity(kW)) / (AnnualkWhoutput х 8760),
где 8760 - это количество часов в году.
Годовой коэффициент использования мощности тепловой электростанции:
Cfa = 21725000 / (4000 х 8760) = 0,62 (62%)
Коэффициент использования мощности зависит от суточного цикла нагрузки, а также от плановых и аварийных отключений на электростанции.
Гидроэлектростанция
Ожидаемый коэффициент использования мощности: 38-50%. Установленная мощность: 200 МВт (4 х 50 МВт). Годовое производство энергии: 700800 МВт·ч. Коэффициент использования мощности зависит от сезонной доступности воды.
Станция производит электроэнергию с высоким КПД во влажные сезоны, чтобы предотвратить перелив воды, и с пониженным КПД в сухие периоды. Она часто используется в качестве резервного источника для стабилизации системы из-за своей быстрой запускаемости. Плановые отключения могут быть согласованы с ежегодными сухими сезонами.
Годовой коэффициент использования мощности гидроэлектростанции:
Cfa = 700800 / (200 х 8760) = 0,4 (40%)
Атомная электростанция
Ожидаемый коэффициент использования мощности: 80-93%. Установленная мощность станции: 2400 МВт (4 х 600 МВт), годовое производство энергии: 16800000 МВт·ч. Коэффициент использования мощности зависит от суточного цикла нагрузки и плановых и аварийных отключений на станции.
Годовой коэффициент использования мощности атомной электростанции:
Cfa = 16800000 / (2400 х 8760) = 0,8 (80%)
Солнечная электростанция (фотоэлектрическая)
Ожидаемый диапазон коэффициента использования мощности: 13-19%. Зависит от солнца. Установленная мощность: 3 МВт, годовое производство энергии: 450000 МВт·ч. Коэффициент использования мощности зависит от местоположения станции и периодов высокой инсоляции. Возможность хранения энергии ограничена.
Годовой коэффициент использования мощности солнечной (фотоэлектрической) электростанции:
Cfa = 450000 / (3 х 8760) = 0,171 (17,1%)
Солнечная электростанция (концентрированная)
Ожидаемый диапазон коэффициента использования мощности: 25–35%. Установленная мощность станции: 350 МВт, годовое производство энергии: 9100000 МВт·ч. Коэффициент использования мощности зависит от местоположения станции и периодов высокой инсоляции. Возможность хранения энергии расширена за счет использования теплоаккумуляторов.
Годовой коэффициент использования мощности солнечной (концентрированной) электростанции:
Cfa = 9100000 / (350 х 8760) = 0,297 (29,7%)
Ветряная электростанция
Ожидаемый диапазон коэффициента использования мощности: 20-40%. Зависит от ветра. Установленная мощность: 100 МВт, годовое производство энергии: 2000000 МВт·ч. Коэффициент использования мощности для ветряной энергии надежен и меняется в зависимости от сезона. Сильные и слабые ветры не выгодны.
Годовой коэффициент использования мощности ветряной электростанции:
Cfa = 2000000 / (100 х 8760) = 0,315 (31,5%)
Заключение
Мы рассмотрели основные аспекты каждого типа электростанций и ожидаемые диапазоны их коэффициентов использования мощности. Мы привели некоторые эмпирические данные, которые могут дать полезные представления.
Важно подчеркнуть, что тепловые и атомные электростанции являются самыми надежными и дорогостоящими производственными объектами для развития. Оба варианта требуют значительных первоначальных инвестиций, работают с высокой эффективностью и испытывают существенные потери при резервном обслуживании. С другой стороны, эксплуатационные расходы достаточно низки по сравнению с другими типами станций.
Солнечные и ветровые электростанции традиционно более экономичны и быстрее строятся, эксплуатируются и обслуживаются. Их низкий прогнозируемый диапазон коэффициента использования мощности относит их к дополнительному источнику энергии, а не к основному.
Солнечная фотоэлектрическая (ФЭ) технология сталкивается с трудностями в хранении электрической энергии при высоких мощностях из-за сложности и стоимости аккумуляторов. Это снижает ее жизнеспособность как источника электроэнергии для сети в ночное время.
Дизельные электростанции выполняют определенную роль в энергетической системе в сельских районах, но они не являются основным источником энергии.
Каждый тип генерирующих установок имеет свои особенности, связанные с рельефом местности, доступом к воде, близостью к электрическим линиям передачи и наличием необходимых ресурсов для работы.
Вывод от переводчика: Тепловые и ядерные электростанции являются самыми надежными и дорогостоящими способами производства электроэнергии, требующими больших капитальных вложений и высокой эффективности. Солнечные и ветровые электростанции более дешевы и быстры в строительстве, эксплуатации и обслуживании, но имеют низкий фактор загрузки и зависят от природных условий. Дизельные и газотурбинные электростанции подходят для удаленных районов, но имеют высокую стоимость топлива и проблемы с выбросами. Гидроэлектростанции имеют низкую стоимость производства, но зависят от сезонной доступности воды и могут вызывать экологические последствия.
Перевод с английского и адаптация - Андрей Повный