03. Электроэнергетика. Тепловая, атомная, гидроэнергетика, альтернативная энергетика

Электроэнергетика и её значение

Человек получает энергию из еды, это является базовой биологической потребностью. Без энергии невозможно выжить. Большой скачок в своём развитии человечество получило после того, как научилось управлять энергией — добывать её, накапливать, преобразовывать, перераспределять.

Практически любой процесс происходит с преобразованием энергии: разжигая костёр, мы используем накопленную энергию химических связей древесины, преобразуя её в тепловую и световую энергию пламени костра. Бензиновый двигатель автомобиля превращает энергию горения бензина в механическую энергию движения автомобиля. Электрический вентилятор превращает электроэнергию сети в механическую энергию вращения лопастей. В ветрогенераторе происходит обратный процесс — механическая энергия ветра превращается в электроэнергию.

Проблемы, которые решает энергетический комплекс любого государства:

• добыча/генерация энергии;

• транспортировка (обеспечение конечного потребителя — это и обычные дома, и предприятия);

• накопление, баланс (ночью, к примеру, потребление обычно ниже, чем днём; в жаркий день из-за кондиционеров потребление больше, чем в тёплый день и т. д.).

При этом в результате любого преобразования энергии, а также при её передаче на большие расстояния неизбежны потери. Эффективность энергосистемы определяется в том числе минимизацией таких потерь.

Электроэнергетика — это часть топливно-энергетического комплекса, которая занимается производством электрической энергии и передачей её потребителю.

В списке стран — лидеров по производству электроэнергии Россия занимает 4-е место, уступая Китаю, США и Индии, 5-ю строчку занимает Япония (см. рис. 1).

Электроэнергия в России производится в основном на тепло-, гидро- и атомных электростанциях (см. рис. 2).

Существуют и другие виды электростанций, которые используют энергию ветра, солнца, приливов и отливов, подземных горячих источников, но их вклад в общий энергетический баланс мира пока не так велик. Во многом это связано с низким КПД и рядом других недостатков, например неравномерностью выработки электроэнергии. Хотя в последнее время ряд этих проблем решается, и альтернативная энергетика используется активнее.
В России использование альтернативной энергетики ограничивается также географическими и климатическими особенностями. К примеру, на большей части нашей страны солнечных дней довольно мало, поэтому строительство солнечных электростанций нерентабельно. Но в тех регионах, где есть необходимые условия, в последние годы активно ведётся строительство электростанций, получающих энергию из альтернативных источников.

Тепловая электроэнергетика

Наибольшая доля производства электроэнергии — более 60 % — в России приходится на тепловые электростанции (ТЭС) (см. рис. 3).

Принцип работы тепловых электростанций схож с работой АЭС: тепловая энергия преобразуется в электрическую. Однако на АЭС она выделяется на основе ядерных реакций, а на ТЭС — в процессе горения топлива.

Электростанции такого типа — самые старые в России.

Преимущества ТЭС:

• быстро сооружаются;

• круглогодично вырабатывают энергию;

• могут быть построены как вблизи источника сырья, так и вблизи потребителя.

Виды топлива для ТЭС: уголь, торф, газ, сланцы, мазут.

Самым распространённым видом топлива для тепловых электростанций на данный момент является уголь, но учёные отмечают необходимость перевода ТЭС на природный газ в связи с большей его экологичностью. Сжигание угля сопряжено с выбросом вредных веществ в атмосферу.

Недостатки ТЭС:

• Зависимость от наличия ресурсов. Перебои с поставками могут привести к остановке их работы.

• Загрязнение атмосферы. Функционирование ТЭС сопряжено с загрязнением атмосферы соединениями, которые образуются в результате сгорания топлива. Это загрязнение может быть больше или меньше в зависимости от вида топлива. Несмотря на развитие технологий, свести к нулю такие выбросы невозможно. Хотя современные ТЭС обладают довольно высокими экологическими характеристиками.

Виды ТЭС:

• теплоэлектроцентрали (ТЭЦ);

• конденсационные.

Конденсационные ТЭС используют только с одной целью — производство электроэнергии, их стараются строить вблизи источников топлива.

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) производят не только электрическую, но и тепловую энергию (горячая вода или пар). ТЭЦ стараются строить ближе к потребителям (например, в городах или возле них), чтобы отапливать жилые помещения.

Электростанции, вырабатывающие большое количество энергии и обслуживающие большие районы, называют ГРЭС — государственные районные электростанции.

ТЭС менее требовательны к месту расположения, поэтому их можно встретить практически по всей территории России.

К числу крупнейших тепловых электростанций относятся Сургутская ГРЭС, Костромская ГРЭС, Рефтинская ГРЭС (см. рис. 4).

Гидроэнергетика

Второй по распространённости тип электростанций в России — гидроэлектростанции (ГЭС). Принцип их работы состоит в преобразовании механической энергии движения воды в электрическую энергию. На них приходится около 18 % производства электроэнергии всей страны. Крупнейшими операторами ГЭС России являются «РусГидро» и «ЕвроСибЭнерго». Своей популярностью ГЭС обязаны развитой сети рек в России. ГЭС преобразуют механическую энергию падающей воды в электроэнергию. Такой тип электростанций особенно часто встречается на горных реках, ведь именно горная река с большим перепадом высот может дать больше энергии (см. рис. 5).

Для большей эффективности на одной реке часто строят сразу несколько гидроэлектростанций подряд. Эту систему называют каскадом. Примером такого каскада является Волжско-Камский каскад (см. рис. 6).

Каскады ГЭС также расположены на Ангаре и Енисее. В настоящий момент активно строятся ГЭС на Амуре.

Всего на начало 2021 года в России насчитывается 170 гидроэлектростанций.

Самой крупной из них является Саяно-Шушенская (см. рис. 7). Она также входит в число 15 крупнейших ГЭС мира и является мощнейшей в России.

В 2009 году Саяно-Шушенская ГЭС пережила серьёзную аварию, унёсшую жизни 75 человек. Многие силы ушли на устранение последствий аварии и восстановление станции. Оборудование для обновлённой станции привозили из всех концов страны. Саяно-Шушенская ГЭС повторно введена в строй к 2013 году.

Авария способствовала запуску государственной программы обновления основных агрегатов на всех ГЭС страны. В данный момент эта работа практически завершена, и результатом стало не только повышение надёжности, но и увеличение эффективности работы ГЭС.

Второй по мощности в нашей стране является Красноярская ГЭС, именно она изображена на 10-рублёвой купюре (см. рис. 8).

Преимущества ГЭС:

• низкая стоимость электроэнергии;

• высокий КПД;

• небольшое количество обслуживающего персонала;

• простота эксплуатации;

• долговечность.

Недостатки ГЭС:

• высокие финансовые и временные затраты на строительство (как правило, ГЭС строятся 15–20 лет);

• зависимость от сезонных изменений режима рек;

• необходимость затопления большого количества ценных земель.

Последний пункт является одним из самых серьёзных. При строительстве гидроэлектростанций на равнинах создаются крупные водохранилища, что приводит к затоплениям близлежащих земель. Эти водохранилища необходимы для поддержания достаточного объёма потока воды, который используется при выработке энергии. Ярким примером создания такого водохранилища является затопление при строительстве Новосибирской ГЭС. В зоне затопления оказались 59 населённых пунктов. Также во время строительства Угличской ГЭС на Волге частично был затоплен город Калязин и полностью ушла под воду Молога, а также десятки менее крупных населённых пунктов.

ГЭС «Три ущелья»

Крупнейшей гидроэлектростанцией в мире является ГЭС «Три ущелья» (см. рис. 1). Она расположена в Китае, на реке Янцзы. Эта электростанция имеет очень важное значение для Китая. Помимо выработки электроэнергии, «Три ущелья» защищает от наводнений города, расположенные ниже по течению. Также ГЭС способствует улучшению условий судоходства, так как искусственным образом увеличивает глубину реки.

Атомная электроэнергетика

На 2021 год в России насчитывается 11 атомных электростанций (АЭС) с 38 действующими энергоблоками. На них приходится около 19 % вырабатываемой электроэнергии. При этом большая часть АЭС сосредоточена в европейской части России (см. рис. 9).

Принцип работы АЭС основан на высвобождении большого количества энергии при ядерной реакции: тяжёлое ядро при распаде выделяет нейтроны, которые, в свою очередь, вызывают новые процессы деления ядер. Это так называемая цепная ядерная реакция (см. рис. 10).

Поскольку задача АЭС, в отличие от ядерной бомбы, — контролируемая выработка энергии, часть лишних нейтронов убирается из активной зоны. Для работы АЭС используется специальное топливо, например уран. Высвободившаяся тепловая энергия похожим с ТЭС способом преобразуется в электрическую.

Крупнейшей из российских действующих АЭС является Балаковская, расположенная в Саратовской области (см. рис. 11). Она также занимает 51-ю строчку в списке крупнейших электростанций мира. На этой электростанции трудятся более 3000 человек. Мощность Балаковской АЭС — 4000 МВт, что является средним показателем в мире и одним из высочайших в России.

В нашей стране расположены сразу 2 уникальных реактора — в Московской и Ульяновской областях. Если в обычных атомных электростанциях для протекания реакции используют замедлитель нейтронов, то реакторы нового типа работают на быстрых нейтронах. Это позволяет использовать 30 % потенциала ядерного топлива вместо привычных 3 %.

Первая во всём мире атомная электростанция была построена в 1954 году в городе Обнинске Калужской области. Сейчас на её месте располагается музей атомной энергетики.

В 2019 году была введена в эксплуатацию первая в мире плавучая атомная электростанция (ПАТЭС) «Академик Ломоносов» (см. рис. 12). Она предназначена для получения тепловой и электрической энергии, а в ближайшем будущем возможно её использование с целью опреснения морской воды. В данный момент станция расположена в Чукотском автономном округе. Планируется строительство других электростанций такого типа.

Преимущества АЭС:

• Могут вырабатывать значительное количество электроэнергии.

• Не требуют постоянного пополнения запасов топлива.

• АЭС можно расположить в удалённых и энергодефицитных районах. Масса урана, который необходим для функционирования АЭС, в сотни раз меньше, чем масса угля или газа, необходимых для работы ТЭС, и это существенно упрощает обслуживание и логистику для обеспечения работы АЭС.

• При нормальной работе АЭС практически не наносят вреда окружающей среде.

Недостатки АЭС:

• Тяжёлые последствия аварий на АЭС. Экология Фукусимы и Чернобыля до сих пор не восстановлена.

• Отсутствие единой системы утилизации отходов, вырабатываемых на АЭС. В данный момент корпорация «Росатом» отрабатывает технологии, направленные на безопасное хранение отходов, а также их переработку в топливо для некоторых видов АЭС.

• Постоянное усложнение и ужесточение требований к строительству АЭС. Их соблюдение требует значительных финансовых и временных затрат.

«Росатом» является крупнейшей корпорацией атомной энергетики в мире. Она включает в себя более 400 предприятий.

«Росатом» занимает второе место в мире по запасам урана и пятое место по его добыче. Кроме того, корпорация ответственна за использование атомной энергии в нашей стране. Корпорация занимает первое место в мире по зарубежному строительству атомных реакторов. Также «Росатом» строит атомные ледоколы. Яркими примерами являются уже функционирующий ледокол «Арктика», а также «Лидер», спуск на воду которого назначен на 2025 год (см. рис. 13).

Альтернативная электроэнергетика

В последние годы всё большее значение приобретает альтернативная электроэнергетика, где в качестве источника энергии используется солнечная, геотермальная, приливная энергия или, к примеру, механическая энергия движения воздуха — на ветровых электростанциях (см. рис. 14).

Основным преимуществом альтернативной электроэнергетики является использование неисчерпаемых или исчерпаемых, но возобновляемых ресурсов. Это сокращает негативное воздействие на окружающую среду.

В России таких электростанций пока относительно немного. На них приходится около 1 % всей вырабатываемой электроэнергии. Но их количество постепенно растёт, и этот процесс будет продолжаться в обозримом будущем.

Правительство России предложило подпрограмму «Чистая энергетика», которая подразумевает разработку и постоянную корректировку электроэнергетики России. Подпрограмма направлена на максимально возможное обеспечение электроэнергией и снижение негативного влияния энергетических предприятий на окружающую среду. Одним из пунктов такой политики является обязательное развитие альтернативной энергетики.

Стоит отметить, что экологичность альтернативной энергетики весьма спорна, так как ещё не разработана эффективная технология утилизации тех же солнечных батарей, которые содержат множество различных веществ, например редкоземельных металлов. Работа ветряков оказывает влияние на естественные движения ветра, и пока не ясно, как это отразится на климате при их массовом использовании. Кроме того, большинство альтернативных источников сильно зависят от погодных условий. События зимы 2021 года, когда погодные аномалии привели к отказу многих альтернативных источников энергии и практически все страны мира резко нарастили закупку угля и природного газа, говорят о том, что полный переход к так называемой зелёной энергетике в ближайшем будущем вряд ли возможен. Поэтому необходимо как разрабатывать новые источники энергии, так и совершенствовать проверенные временем.

Среди объектов альтернативной электроэнергетики в России стоит выделить геотермальные электростанции (ГеоЭС или ГеоТЭС). Для получения электроэнергии они используют внутреннее тепло планеты посредством горячих подземных вод. Примерами таких электростанций являются Паужетская, Мутновская и Верхнемутновская, расположенные на Камчатском полуострове (см. рис. 15).

Геотермальные электростанции получили особое распространение в Исландии, где на них приходится около 30 % всей электроэнергии, что является абсолютным рекордом.

На побережье Северного Ледовитого океана с недавнего времени развиваются приливные электростанции (ПЭС). На Кольском полуострове построена Кислогубская приливная электростанция (см. рис. 16). В ближайшем будущем планируется развитие приливной электроэнергетики на побережье Охотского моря.

На юге России, в большей степени в Республике Крым, развивается солнечная электроэнергетика (см. рис. 17). Именно там количество солнечных дней в году превышает 90. Также благоприятными районами для развития этого типа альтернативной энергетики являются юг Сибири и Дальнего Востока.

С развитием технологий растёт и качество солнечных батарей. На данный момент плотные облака снижают производительность электростанций, но учёные считают, что в скором времени солнечные батареи можно будет устанавливать в любых, даже самых пасмурных районах.

Солнечные электростанции принципиально отличаются от всех перечисленных ранее, так как во всех рассмотренных электростанциях энергия вырабатывается при вращении турбины (паром, водой либо ветром). В солнечных же панелях энергия света превращается непосредственно в электрическую, без использования турбин.

В России отмечается также хороший потенциал для развития ветровой энергетики. Ветровые электростанции принято сокращать как ВЭС. К перспективным районам относятся острова Северного Ледовитого океана, районы нижней и средней Волги, побережья Каспийского, Балтийского, Охотского и Чёрного морей, где погодные условия позволяют непрерывно вырабатывать энергию из ветра (см. рис. 18).

При планировании ветровых электростанций учитывают сезонность ветра и его скорость. Районы со скоростью ветра более 5 м/с наиболее предпочтительны для сооружения таких электростанций.

Примерами ВЭС в России являются Ушаковская, расположенная в Калининградской области, или Адыгейская ВЭС в Республике Адыгея (см. рис. 19).

К числу альтернативных источников энергии можно отнести и совсем необычные. В скандинавских странах популярны электростанции, работающие на биотопливе, в частности на сжигании мусора. В Копенгагене на крыше мусороперерабатывающего завода функционирует лыжный комплекс, который полностью обеспечивает себя энергией, вырабатываемой из сжигаемого мусора. Также недавно было разработано топливо, основанное на водорослях.

Лидеры в области альтернативной энергетики

Бесспорными лидерами в области альтернативной энергетики являются страны Западной Европы (см. рис. 1): Великобритания, Дания, Нидерланды, Германия, Швеция, Португалия, Исландия, Ирландия и другие.

На первом месте списка значится Дания, где почти 50 % электроэнергии производится на ветровых электростанциях. Страна обладает незначительными земельными ресурсами, поэтому некоторые установки расположены прямо в проливе Эресунн.

Объединение всех существующих типов электростанций формирует энергосистемы.

Энергосистема — это группа электростанций, объединённых линиями электропередачи (ЛЭП) высокого напряжения. Российская энергосистема носит название Единая энергетическая система России (ЕЭС).

К российской энергосистеме подключены некоторые европейские страны и страны СНГ, и Россия экспортирует электроэнергию.

От предприятий электроэнергетики напрямую зависит размещение других типов производств. Производства, для реализации которых необходимо большое количество энергии, носят название энергоёмких. К числу таковых можно отнести, к примеру, предприятия цветной металлургии.

Электроэнергетика является одной из приоритетных сфер для внедрения современных технологий. Развитие науки и техники уже в скором времени позволит окончательно перейти на альтернативные источники энергии и сократить степень негативного влияния на окружающую среду до минимума.

Список литературы

1. География, 9 класс: учебник для общеобразоват. организаций / Алексеев А. И. и др. 11-е изд., перераб. — М.: Просвещение, 2023.

2. География, 9 класс: атлас / 16-е изд., испр. — М.: Просвещение, 2022. — 48 с.: ил., карты.

Дополнительные рекомендованные ссылки на интернет-ресурсы

1. Интернет-портал fipi.ru (Источник)

2. Интернет-портал rgo.ru (Источник)

3. Интернет-портал mosgeo.olimpiada.ru (Источник)

Домашнее задание

1. Укажите основные задачи энергетического комплекса.

2. Найдите на карте перечисленные электростанции и укажите, к какому типу электростанций они относятся:
   Новочеркасская, Ушаковская, Миатлинская, Угличская, Билибинская, Мутновская, «Митяево», Кислогубская.

3. Перечислите преимущества и недостатки гидроэлектростанций.