Электроэнергетика

Электроэнергетика
Электроэнергетика – базовая отрасль российской экономики
Российская электроэнергетика и ее место в мире
Основные этапы развития отечественной электроэнергетики
Структурная перестройка электроэнергетики России в 1990-е годы
Реформирование электроэнергетики в 1998—2008 гг.
Реформирование электроэнергетики в 1998—2008 гг.
Техническая база российской электроэнергетики
Электропередача
Оперативно-диспетчерское управление
Примеры рынков электроэнергии
Особенности розничного рынка электроэнергии США
Уроки, вытекающие из обобщения опыта и функционирования рынков электроэнергии
Синхронная зона ЕЭС/ОЭС
Торгово-экономическое сотрудничество российской электроэнергетики
Реформа электроэнергетики в России
Организация реформирования электроэнергетики
Переход к конкурентным рынкам
Организационно-экономическая структура отрасли электроэнергетики
Операционная деятельность
Применение модели товарно-денежных потоков
Основные субъекты рынка электроэнергии
Распределительные сетевые компании
Организации коммерческой инфраструктуры
АО-энерго - энергосистемы изолированных регионов
Задачи реформирования энергосистем Дальнего Востока
Система государственного регулирования в электроэнергетике
Сфера и методы тарифного регулирования в современной электроэнергетике
Стимулирующее регулирование
Система регулируемых тарифов в российской электроэнергетике
Тарифы на услуги по передаче электрической энергии
Недискриминационный доступ к услугам естественных монополий
Антимонопольное регулирование рынка электроэнергии
Методы антимонопольного регулирования
Прогнозирование и проектирование развития электроэнергетики
Системное проектирование электроэнергетики
Система рынков в электроэнергетике
Основы построения оптового и розничных рынков
Узловое ценообразование
Балансирующий рынок
Рынок мощности
Рынок системных услуг
Финансовые права на передачу
Розничный рынок электрической энергии
Особенности оптового рынка в российской электроэнергетике
Особенности российского розничного рынка электроэнергии
Рынки сервисов
Рынок тепловой энергии и его взаимосвязь с рынком электроэнергии
Особенности рынков тепловой энергии в России
Управление надежностью в электроэнергетике
Обеспечение надежности Механизмы управления надежностью
Рынок системных услуг и основные направления повышения надежности
Атомная энергетика
Атомная энергетика занимает важное место в энергетике России.
Экологические проблемы эксплуатации АЭС
Концепция экологической безопасности АЭС
Природоохранные технологии на АЭС
Отработаное ядерное топливо
Демонтаж АЭС по окончании ее нормальной эксплуатации
Геотермальная энергетика
Электромашиностроение и электротехника
Особенности экологических проблем ТЭС и ГЭС, пути их решения
Проблема эмиссии парниковых газов

Атомная энергетика занимает важное место в энергетике России. За исключением Билибинской АЭС, состоящей из четырех энергоблоков с турбинами мощностью по 12 МВт, и Белоярской АЭС, состоящей из одного энергоблока на быстрых нейтронах БН-600, реактор которого питает 3 одинаковых турбины перегретого пара К-200-12,8 ЛМЗ, АЭС России оборудованы 30 мощными энергоблоками всего трех типов, среди них:

·  6 энергоблоков с водоводяными корпусными реакторами ВВЭР-400, каждый из которых питает паром по два быстроходных турбоагрегата мощностью 220 МВт (Нововоронежская и Кольская АЭС);

· 11 энергоблоков с канальными реакторами РБМК-1000, каждый из которых подает пар на два быстроходных агрегата мощностью по 500 МВт (Ленинградская, Смоленская и Курская АЭС);

·  8 энергоблоков с водоводяными корпусными реакторами ВВЭР-1000; все энергоблоки, кроме одного на Нововоронежской АЭС (также с двумя турбоагрегатами по 500 МВт), выполнены по схеме моноблока (Балаковская, Калининская и Волгодонская АЭС).

Все оборудование АЭС (реакторы, сепараторы-пароперегреватели, конденсаторы, вспомогательное оборудование), кроме паровых турбин, изготовлено российскими производителями. Все паровые турбины для АЭС с реакторами ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и РБМК-1000 изготовлены Харьковским турбинным заводом (исключение составляет быстроходная паровая турбина К-1000-5,9/50 3-го энергоблока Калининской АЭС, введенного в эксплуатацию в декабре 2004 г.). Относительная однородность оборудования создает хорошие условия для его совершенствования, модернизации оборудования и эксплуатации, однако, этот процесс для энергетики страны серьезно затрудняется тем, что изготовителем турбин является Украина.

Из 30 работающих энергоблоков только 5 достигли проектного срока службы в 30 лет (2 энергоблока Нововоронежской АЭС и по одному энергоблоку Кольской, Ленинградской и Билибинской АЭС). После анализа результатов их эксплуатации и технического состояния срок службы этих энергоблоков был продлен. Таким образом, оборудование АЭС существенно «моложе» оборудования ТЭС, работающего на органическом топливе.

Главные технические особенности АЭС вытекают из особенностей их паропроизводящих установок — ядерных реакторов. По целому ряду физических и технических причин современные ядерные реакторы не могут генерировать пар высоких параметров. В них также весьма затруднительно организовать даже начальный и промежуточный перегрев пара, что необходимо для создания экономичной и надежной паротурбинной установки. Сегодня ядерные реакторы АЭС России для паровой турбины генерируют практически сухой насыщенный, температура которого вдвое меньше, чем на традиционных паросиловых энергоблоках. Следствием этого является низкий КПД термодинамического цикла турбоустановки АЭС. На АЭС только 1/3 теплоты, поступающей из реактора, превращается в электрическую мощность, а остальная теплота уносится охлаждающей водой конденсатора и рассеивается в окружающей среде. Несмотря на столь неэкономичное использование теплоты реактора, стоимость электроэнергии, отпускаемой АЭС существенно ниже, чем на ТЭС, так как доля топливной составляющей в стоимости электроэнергии на АЭС существенно меньше.

Компенсировать уменьшение работоспособности пара в турбоустановках АЭС для обеспечения такой же мощности можно только увеличением расхода пара. А это приводит к увеличению капиталовложений, которые растут медленнее, чем повышается мощность АЭС. Отсюда следует необходимость в максимально возможном увеличении мощности паросиловых установок АЭС, но тогда возникает сложнейшая и многозначная проблема пропуска громадного объемного расхода влажного пара с низкими скоростями выхода через последние ступени паровых турбин. Собственно история развития паротурбинной техники для АЭС — это история создания цилиндра низкого давления (ЦНД) максимальной пропускной способности.

К сожалению, ЛМЗ — единственный производитель турбин для АЭС в России — не может производить мощные тихоходные турбины для АЭС.

Другая важная техническая особенность ядерных реакторов — ограниченность регулировочного диапазона. Оболочки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) способны выдержать без нарушения плотности только ограниченное число циклов изменения тепловыделения. Отсюда неспособность энергоблоков АЭС к реализации систематических изменений нагрузки, требуемых графиками потребления. По-видимому, в сложившейся ситуации проще одновременно со строительством АЭС вводить маневренные упрощенные ПГУ (о них шла речь выше), которые будут покрывать переменную часть графика электрической нагрузки.

Кроме своего прямого назначения — производства электроэнергии — гидроэнергетика решает дополнительно важнейшие для общества и государства задачи. Прямая выгода от них заключается в создании систем питьевого и промышленного водоснабжения; развитии судоходства; создании ирригационных систем в интересах сельского хозяйства; рыборазведении; регулировании стока рек, позволяющем осуществлять борьбу с паводками и наводнениями, обеспечивая безопасность населения.

Гидроэнергетика — ключевой элемент обеспечения системной надежности ЕЭС страны, так как располагает более чем 90 % резерва регулировочной мощности. Из всех существующих типов электростанций именно ГЭС наиболее маневренны и способны при необходимости существенно увеличить объемы выработки энергии в считанные минуты, покрывая пиковые нагрузки. Для тепловых станций этот показатель измеряется часами, а для атомных — сутками.

Важнейший элемент повышения надежности работы энергетических систем — развитие гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). Графики потребления электроэнергии современных энергообъединений отличаются высокой степенью неравномерности, что создает трудности как с покрытием пиков, так и в еще большей степени с прохождением ночных провалов суточных графиков электрической нагрузки. Особенно актуальна эта проблема для энергосистем европейской части России, где преобладают низкоманевренные блоки ТЭС, ТЭЦ и АЭС. В этой ситуации ГАЭС обладают максимальными маневренными преимуществами. В отличие от других типов маневренных электростанций, способных покрывать только пиковые нагрузки, ГАЭС могут работать и в насосном режиме в период провала графика электрической нагрузки, обеспечивая более благоприятный базисный режим для ТЭС и АЭС. Дополнительно к основным функциям ГАЭС могут использоваться для регулирования частоты и напряжения в электрической сети, а при необходимости и к несению функций быстро вводимого аварийного резерва. Высокая маневренность ГАЭС определяется малым временем включения в работу, набора и сброса нагрузки. Так, пуск обратимых агрегатов ГАЭС из нерабочего состояния в турбинный режим с набором полной нагрузки занимает 2—3 мин. Время пуска этих агрегатов в насосный режим из нерабочего состояния в зависимости от мощности машин и способа пуска колеблется в пределах 5—6 мин, перевода из турбинного режима в насосный — 8—10 мин.

Зарубежный опыт эксплуатации ГАЭС и прошедший период эксплуатации единственной в России Загорской ГАЭС показал актуальность использования ГАЭС в крупных современных энергосистемах.

Особое значение имеет генерация на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Возобновляемая энергия — это энергия естественных природных процессов, происходящих на нашей планете постоянно или периодически. Солнечная энергия — первопричина и источник для таких видов ВИЭ, как энергия ветра, водных потоков, волн, энергия биомассы и рассеянного тепла окружающей среды. Геотермальная энергия — следствие процессов, происходящих в ядре Земли, а приливная — гравитационных явлений. Разные виды ВИЭ имеют существенно различную физическую сущность и характеристики. Однако многие из них обладают общими чертами. Так, естественная природная плотность (удельная мощность) потоков возобновляемой энергии невелика, что заставляет применять большие площади установок на ВИЭ для «перехвата» этих потоков (приемные поверхности солнечных установок, площадь, ометаемая ветроколесом, поле скважин геотермальной электростанции и т.п.). Например, плотность потока солнечной радиации у земной поверхности не превышает 1 кВт/м2; плотность энергии ветрового потока при скорости 10 и 5 м/сек соответственно 0,61 и 0,08 кВт/м2. Большая площадь установок на ВИЭ приводит к повышенной материалоемкости и соответственно стоимости установленной мощности по сравнению с традиционными топливными энергоустановками. С другой стороны, отсутствие топливной составляющей существенно снижает эксплуатационные затраты. Другая особенность многих видов ВИЭ — их изменчивость во времени. Это либо закономерные изменения мощности потока энергии данного вида ВИЭ (приливная энергия), либо в основном случайные (ветер), либо закономерные изменения с наложением на них случайного фактора (солнечная энергия). Применительно к электроэнергетике это означает: ветровые, солнечные и в значительной мере приливные электростанции, замещая выработку электроэнергии на традиционных электростанциях, не замещают мощности и поэтому не участвуют в балансе мощностей. Указанного недостатка лишены геотермальные электростанции (ГеоТЭС), участвующие в балансе мощностей и могущие быть системообразующими. Энергоустановки на биомассе также могут работать стабильно, если поступление исходного сырья не носит сезонного характера.

Общее свойство всех видов ВИЭ — их существенно более благоприятные экологические характеристики по сравнению с топливом для традиционных энергоустановок. Поскольку физическая природа и соответственно технологии преобразования различных видов ВИЭ существенно различны, целесообразно рассматривать их раздельно.

Ресурсы солнечной энергии превышают мировое энергопотребление в 104 раз. Они существенно больше, чем ресурсы всех других видов ВИЭ вместе взятых. Солнечная энергия обладает абсолютной экологической чистотой. Этот источник энергии потенциально способен решить для человечества на сколь угодно долгую перспективу задачи обеспечения энергией, пищей, а также сохранения на нашей планете естественной природной среды. Преобразование солнечной энергии в теплоту осуществляется с высоким КПД (50—60 %) и с помощью относительно простых технических средств. Использование солнечного излучения для производства тепла (главным образом для нагрева воды) получило в мировой практике наибольшее распространение. Однако в настоящее время использование солнечной энергии имеет ограниченные масштабы. Годовое производство тепла за счет солнечной энергии в мире составляет 77·109 кВт·ч (тепловых).

Основной вид оборудования для установок и систем солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения — плоский солнечный коллектор, использующий поток солнечного излучения естественной плотности, эффективный при нагреве теплоносителя до 50—60 °С. Для получения более высоких температур используются оптические устройства в виде зеркал или линз, фокусирующих прямую солнечную радиацию на приемнике излучения. Наибольшую концентрацию солнечного излучения (до 10 тыс. раз) можно получить с помощью зеркальных концентраторов в виде параболоида вращения или круглых линз. Нагревая теплоноситель до высокой температуры, можно использовать паротурбинный цикл для производства энергии, как это делается на обычных электростанциях, работающих на органическом топливе. В солнечных паротурбинных электростанциях используются главным образом две схемы. По первой из них зеркала — гелиостаты, располагаемые на земле, фокусируют отраженные от них лучи на паровом котле, устанавливаемом на башне. Солнечные электростанции башенного типа мощностью от 1 до 10 МВт созданы в ряде стран, в том числе в бывшем СССР мощностью 5 МВт. Однако их технико-экономические показатели были неудовлетворительными. Лучшие характеристики имеют солнечные паротурбинные электростанции модульного типа. По этой схеме солнечная электростанция состоит из большого числа одинаковых модулей. Каждый из них содержит параболоцилиндрический отражатель, фокусирующий прямую солнечную радиацию в линию, вдоль которой расположен трубчатый приемник концентрированного излучения для нагрева теплоносителя. По данной схеме в Калифорнии (США) построено несколько солнечных электростанций суммарной мощностью 354 МВт. Однако и эти установки не достигли порога конкурентоспособности по сравнению с традиционными ТЭС. Более перспективным является производство электроэнергии за счет солнечного излучения с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (солнечных элементов), в которых происходит прямое преобразование световых квантов в электроэнергию. Первые более или менее эффективные солнечные элементы (КПД 6—8 %) на основе кремния созданы около полувека назад и сразу нашли применение в космической технике. Позднее началось и их наземное применение. В настоящее время КПД монокристаллических кремниевых элементов составляет 14—18 % при стоимости 4—6 долл./Вт. Суммарное мировое годовое производство солнечных элементов разных типов, среди которых кремниевые элементы составляют не менее 90 %, достигает 1,2·106 кВт. Ежегодный прирост объема производства выражается десятками процентов. Сегодня в мире суммарная установленная мощность энергоустановок на основе фотопреобразователей составляет 4·106 кВт, из них автономные установки имеют мощность 2,2·106 кВт, сетевые — 1,8·106 кВт.

Солнечная энергетика наиболее эффективна в районах с наиболее благоприятным «солнечным климатом», к которым относятся страны тропического и субтропического поясов. Россия в целом вследствие своего общего северного географического положения к ним не относится. Тем не менее в нашей стране имеются обширные регионы, в которых среднее годовое поступление солнечной радиации к земной поверхности превышает 1400 кВт·ч/м2, что весьма благоприятно для использования солнечной энергии. К таким районам относятся Южный федеральный округ, южное Забайкалье, юг Хабаровского края, Приморье и некоторые другие районы. Помимо климатических Россия имеет и научно-технические, и производственные предпосылки для развития солнечной энергетики. В стране налажено промышленное производство основных видов оборудования для использования солнечной энергии — фотоэлектрических преобразователей и солнечных коллекторов.

Энергия ветра (воздушного потока) пропорциональна третьей степени его скорости. Так, мощность ветроустановки при скорости ветра 20 м/с в 64 раза больше, чем ее мощность при скорости ветра 5 м/с. Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) мощностью более 100 кВт работают в диапазоне скоростей ветра от 5—6 до 20—25 м/с. Номинальная мощность ветроустановки обеспечивается при 10—14 м/с. Ветроустановка не может полностью использовать всю энергию ветрового потока. Теоретически предел составляет 0,59. Современные ветроустановки имеют коэффициент использования энергии ветрового потока 0,4—0,45. Ветровая энергия распределена по поверхности земли неравномерно. Естественно, что наиболее эффективно ветроустановки могут быть использованы в районах с достаточно высокими значениями скорости ветра. Районами, благоприятными для их применения, являются те, где среднегодовая скорость ветра превышает 5—6 м/с. Но и в этих районах использование установленной мощности не превышает 2500 кВт в год и лишь в некоторых пунктах достигает 3000 кВт в год. Иными словами, коэффициент использования установленной мощности составляет от 0,23 до 0,33.

Ветер наиболее непостоянный источник энергии среди всех других видов ВИЭ. Тем не менее, ветровая энергия лидирует по сравнению с другими видами ВИЭ в применении с целью получения электроэнергии. В настоящее время в мире установленная мощность ветроэлектрических установок и станций составляет 48•106 кВт. В зарубежной практике применяются в основном сетевые ВЭУ*, т.е. ВЭУ, интегрированные в энергосистему. При этом энергосистема демпфирует колебания мощности подсоединенных к ней ВЭУ. При доле мощности ВЭУ выше 10—15 % от суммарной мощности энергосистемы резкие колебания мощности ВЭУ могут вызвать нестабильность параметров в энергосистеме, прежде всего частоты.

Современные сетевые ВЭУ — крупные ветроагрегаты единичной мощностью 1—5 МВт. Диаметр ветроколеса ВЭУ мощностью 4 МВт составляет около 100 м, а высота башни, на которой крепится гондола и ветроколесо — не менее 80 м. Наряду с крупными сетевыми ВЭУ используются и более мелкие установки мощностью от сотен ватт до десятков киловатт. Они применяются для энергоснабжения отдельных автономных потребителей в сочетании либо с электрическими аккумуляторами, либо с дизель-генераторами, чтобы обеспечить постоянное энергоснабжение.

Несмотря на колебания скорости ветра (ветровой энергии), широкое применение ветроустановок объясняется относительно невысокими удельными капитальными затратами на их создание, порядка 1000 долл./кВт, что ниже, чем при создании энергоустановок на любом другом ВИЭ, за исключением биомассы. Применение ветроустановок не связано с какими-либо выбросами в окружающую среду. Однако их экологичность — предмет дискуссий. Опасения вызывают акустические воздействия и опасность для птиц. Чтобы избежать этих опасений ВЭУ устанавливают в удалении от жилья и вдали от путей массового перелета птиц. В России к наиболее благоприятным районам для применения ветроустановок со среднегодовой скоростью ветра 6-8 м/с относятся побережья северных морей и Тихого океана. В континентальных районах страны, за некоторыми исключениями, среднегодовая скорость ветра составляет 3—4 м/с. Ветроэнергетика в России не имеет такого масштабного развития, как во многих зарубежных странах. Суммарная установленная мощность российских сетевых ВЭУ около 10 МВт. Тем не менее, Россия имеет все потенциальные возможности для развития ветроэнергетики, которые состоят в наличии достаточного потенциала ветровой энергии и освоенного промышленного производства ветроустановок мощностью от единиц кВт до 1 МВт.

Технологические приоритеты в ветроэнергетике состоят в повышении технико-экономических показателей ветроэлектрических установок и станций до уровня полной конкурентоспособности по сравнению с топливными энергоустановками, разработке и практическом применении автоматизированных комбинированных ветро-дизельных энергоустановок для энергоснабжения автономных потребителей.

Атомная и традиционная энергетикаю Экологические проблемы