ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Электроэнергия может передаваться
■ по проводникам (например, по линиям электропередачи),
■ без применения проводников (электромагнитным полем).
В энергетической технике в подавляющем большинстве случаев используется первый способ, а второй распространен в высокочастотной технике (прежде всего, в радиотехнике).
Термин электрический проводник имеет два значения: 1) электропроводящее вещество
(например, металл или электролит),
2) деталь, изделие или конструкция, позволяющие передавать электричество. Первое
значение используется в физике и в материаловедении, где все материалы по своей
электропроводности делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники. В
энерготехнике чаще пользуются вторым значением этого термина.
Передача электрической энергии по проводникам может происходить
■ от одного элемента источника, преобразователя или приемника электрической
энергии к другому по соединяющим проводникам на расстояние от нескольких
нанометров (например, в интегральных схемах) до нескольких метров (например, в
мощном силовом оборудовании);
■ от одного элемента электроустановки к другому или от одной электроустановки к другой по электрическим линиям на расстояние от нескольких метров (например, в пределах
одной установки) до нескольких тысяч километров (между крупными энергосистемами).
Совокупность линий и их узлов в электроустановке называется электропроводкой, а
совокупность линий и их узлов, связывающая между собой электроустановки, электрической сетью. По назначению и протяженности в энергосистемах различают
системообразующие (основные) и распределительные сети, на предприятиях межцеховые и
цеховые сети и др.
В технике электропередачи находят применение как гибкие, так и жесткие проводники.
К первым относятся различные провода и кабели, ко вторым шины. Провода и шины могут
быть изолированными или неизолированными [голыми). Изолированные провода и кабели
могут содержать от одной до нескольких токовед-щих жил, изолированных друг от друга.
Отличительным признаком кабеля является герметичная оболочка, изготовленная из
полимерных материалов (например, из поливинилхлорида) или из металла (в настоящее
время чаще всего из алюминия, раньше главным образом из свинца), защищающая жилы от
вредных воздействий окружающей среды. Упрощенная классификация проводников по их
гибкости, изоляции и области применения приведена на рис. 3.5.2.
Металлическая часть жил, в зависимости от сечения и требуемой гибкости, может быть
массивной или состоять из проволок; диаметр проволок может при этом составлять от
десятых долей миллиметра (в тонкопроволочных жилах) до нескольких миллиметров.
От проводников требуется
■ высокая электропроводность,
■ хорошие контактные свойства,
■ высокая электрическая прочность изоляции,
■ достаточная механическая прочность,
■ достаточная гибкость (в случае проводов и
кабелей),
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
■
■
■
■
■
■
долгосрочная химическая стабильность,
достаточная стойкость при нагреве,
достаточная теплоемкость,
защищенность от внешних воздействий,
безвредность для окружающей среды,
простота использования в электромонтажных
работах, умеренная стоимость.
Juhid – проводники
Juhtmed – провода
Paljasjuhtmed – голые провода
Isoleerjuhtmed – изолированные
провода
Kaablid – кабели
Maakaablid – подземные кабели
Veekaablid – подводные кабели
Õhukaablid – вощдушные кабели
Paigalduskaablid – установочные
кабели
Muud – другие
Latid – Шины
Paljaslatid – голые шины
Isoleeritud – изолированные шины
Muud – другие
Рис. 3.5.2.
Классификация проводников
(упрощенная)
Из электропроводных материалов этим требованиям лучше всех соответствуют
■ чистая (без каких-либо примесей) медь,
■ чистый алюминий (по соображениям надежности - начиная с сечения 16 mm2),
■ в проводах воздушных линий – комбинации алюминия и стали.
Из изоляционных материалов наиболее часто используют
■ полиэтилен [С2Н4]п,
■ поливинилхлорид [С2Н3С1]п, который лучше других материалов сопротивляется воспламенению, но который содержит ядовитый и опасный для окружающей реды хлор,
■ синтетические (в том числе особо нагревостойкие кремнийорганические) каучуки.
Электрические линии характеризуют обычно следующие показатели:
■ род тока (переменный или постоянный); чаще всего применяют трехфазный переменный ток
частотой 50 или 60 Нz;
■
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
номинальное напряжение, находящееся в электропроводках обычно в пределах от
12 V до 1000 V, a в электрических сетях низкого напряжения - от 230 V до 690 V, а в
электрических сетях высокого напряжения - от 3 кV до 1200 кV;
■ передаваемая мощность, которая может быть в пределах от нескольких ватт до нескольких
гига ватт;
■ сечение проводников (в установках электроснабжения обычно от 1 mm2 до 10 000
mm2);
■
длина ( ОТ нескольких метров до нескольких тысяч километров),
■ конструктивное исполнение (воздушная или кабельная линия, шинопровод или др.).
Номинальным напряжением сети U п считается междуфазное (в случае постоянного тока
- междуполюсное) номинальное напряжение питаемых от сети электроприемников. Если
для однофазных электроприемников может предусматриваться как междуфазное, так и
фазное напряжение (U), то номинальное напряжение сети представляют в виде дроби Ufn /
Uп, например, 230 V/400 V.
Значения фазного и междуфазного напряжения иногда представляют более кратко в виде дроби, например, 230/400 V, однако
такая форма записи не соответствует стандарту на обозначения электротехнических величин и единиц [1.6].
Низким называется переменное напряжение до 1000V и постоянное напряжение до 1500V.
Напряжение, превышающее эти значения, называется высоким. В диапазоне низких
напряжений различают область малого напряжения (до 50 V переменного или до 120 V
постоянного тока).
В Эстонии обычно используются следующие номинальные напряжения:
■ из малых напряжений - 6У, 12У, 24V, 36V и 48 V,
■ из остальных низких напряжений - 230 V, 400 V и (реже) 690 V,
■ из высоких напряжений б кV, 10 кV, 15 кV, 20 кV, 35 кV, 110 кV, 220 кV и 330 кV;
предусматривается отказ от напряжений 15 кV и 220 кV.
Вместо стандартных напряжений 230V и 400 V во многих сетях низкого напряжения Эстонии встречаются еще старые
напряжения 220V и 380 V, не предусмотренные действующими международными стандартами.’
Проводники
(и жилы многожильных проводников) делятся по их назначению
■ на рабочие проводники (к которым в случае переменного тока относятся фазные и нейтральные проводники; в некоторых сетях или установках нейтральные проводники
могут отсутствовать);
■ на защитные проводники, необходимые для обеспечения безопасности людей;
■ на вспомогательные проводники (например, для управления, связи или сигнализации).
Рабочие проводники могут быть все изолированы от земли, но часто один из них (обычно
нейтральный) заземлен. Таким рабочим заземлением достигается более низкое и равномерно
распределенное напряжение фазных проводников относительно земли, что, например, в
сетях высокого напряжения позволяет снизить стоимость изоляции.
Защитные проводники предусмотрены для надежного заземления тех частей электроустановок, которые при нарушении изоляции могут оказаться под напряжением {открытых
проводящих частей). Такое защитное заземление должно исключить возникновение
опасного напряжения между этими частями и землей и тем самым исключить
возможность поражения людей электрическим током. В электрических сетях низкого
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
напряжения ранее практиковалось совмещение защитного и нейтрального проводников; в
настоящее время эти проводники, по соображениям надежности и безопасности, друг от
друга отделены.
В Эстонии встречаются, главным образом, три стандартные системы низковольтных сетей
[4.3]:
■ система IТ, с изолированием всех рабочих проводников от земли (рис. 3.5.3);
■ система ТN-С, в которой защитный проводник совмещен с заземленным нейтральным проводником (рис. 3.5.4);
■ система ТN- S, с отдельными защитным и нейтральным проводниками (рис. 3.5.5).
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
Международные обозначения систем низковольтных сетей происходят от французского языка. Первая
буква показывает, изолирована ли сеть от земли ( I - isole), или используется рабочее заземление ( ТТеrrе,'земля'). Вторая буква показывает, соединены ли защитные проводники только с землей (Т- Теrrе)
или еще и с нейтральной точкой сети (N - пеиtrе). Дополнительная буква показывает, совмещены ли
нейтральный и защитный проводники (С - сотbine), или они отделены друг от друга (S - sераre).
Международные обозначения проводников на рисунках 4.5.3, 4.5.4 и 4.5.5 взяты из
английского языка. Фазные проводники обозначаются буквами и цифрами L1, L2 и L3 ( live,
'под напряжением'), нейтральный - буквой N (пеиtral), защитный буквой Р (ргоtectioп,
'защита'), заземляющий - буквой Е {еаrth, 'земля'), защитный заземляющий буквами РЕ,
совмещенный защитно-нейтральный буквами РЕN. В однофазном оборудовании фазный
проводник обычно обозначается буквой L. Чтобы различать проводники во время монтажа и
при обслуживании установки по расцветке, изоляцию фазных проводников окрашивают в
коричневый, черный или серый цвета; изоляцию нейтрального проводника - в голубой, а
изоляцию защитного проводника в желто-зеленый цвет(полосатый,с приблизительно
одинаковой шириной полос). Проводник РЕN маркируется на концах дополнительными
голубыми
кольцами
или
другим
подобным
способом.
Особенно
важным считается правильное и отчетливое обозначение защитных проводников.
Место присоединения защитного проводника к электро оборудованию, как показано
на рисунках, обозначается символом защитного заземления.
В сетях типа IТ ( с изолированной нейтралью) повреждение изоляции одной фазы
относительно земли не вызывает никакой прямой опасности для людей или оборудования и
не требует, следовательно, немедленного отключения. Эта система отличается поэтому
повышенной надежностью электроснабжения и ее применяют в ответственных случаях (в
больницах, на железнодорожных вокзалах, в аэропортах, в установках обработки
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
информации, управления и связи и т. п.). Такие сети должны быть снабжены
автоматическими устройствами постоянного контроля сопротивления изоляции и
обнаружения токов утечки.
В сетях типа ТN ( с заземленной нейтралью) при нарушении изоляции (например, при
замыкании на корпус) открытые проводящие части попадают под опасное напряжение. Чтобы
обеспечить защиту людей от поражения электрическим током, защитные аппараты (плавкие
предохранители или автоматические выключатели) должны быстро отключить поврежденную часть проводки или электрооборудования. Отключения происходят,
следовательно, несколько чаще, чем в системах IТ, но отпадает необходимость в непрерывном
контроле состояния изоляции, что приводит к упрощению сети и к снижению ее стоимости.
В системе ТN-С, предложенной немецким концерном АЭГ (Германия) в 1913 году,
совмещение нейтрального и защитного проводников дает некоторую экономию, но
сопровождается недостатками, которые в настоящее время стали неприемлемыми. Наиболее
существенными следует считать два из них:
1) так как проводник РЕN через электроприемники гальванически связан с фазными проводниками, то его обрыв может привести к опасному повышению напряжения в той его
части, которая после обрыва уже не соединена с землей, и на корпусах электрооборудования, а также на других открытых проводящих частях может возникать опасное напряжение
(рис. 4.5.6);
2) так как в нейтральном проводнике всегда протекает некоторый ток, вызванный неравномерной нагрузкой фаз, то напряжение проводника РЕN относительно земли не равно нулю
(составляя обычно несколько вольт) и имеет в разных точках электропроводки разные значения; такая неравномерность напряжения может оказаться опасной для микроэлектРис. 4.5.6. Возникновение опасного напряжения на корпусах электрооборудования
при обрыве провода
ронных устройств (например, ЭВМ), заземленных через проводник РЕN и соединенных между собой по экранированным линиям слабого тока .
Система ТN-С в настоящее время уже не может рекомендоваться для электроустановок
зданий, а может применяться только в сети между питающей подстанцией и зданиями. В
вводном устройстве здания проводник РЕN разветвляется на защитный и нейтральный (РЕ- и
N-) проводники, а зажим разветвления соединяется с заземляющим устройством установки.
Другими словами, в вводе в здание переходят с системы ТN-С на систему ТN-5.
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
В Эстонии с 1945 по 1995 год строились, главным образом, сети ТN-С с номинальным
напряжением 220 V / 380 V; частично они переведены на новое стандартное напряжение 230
V / 400 V. В ближайшие годы этот переход должен завершиться, и одновременно
планируется ускорить переход на систему ТN-S во всех зданиях.
В системе ТN-S, (с разделенной нейтралью с защитным проводником) применение
которой началось в Европе в 1930-х годах, защитный проводник не имеет гальванического
соединения с рабочими проводниками, и в нормальном режиме работы в нем нет тока. Это
обеспечивает как более надежную защиту людей от поражения электрическим током, так и
требуемый режим работы микроэлектронных устройств. В настоящее время в Эстонии и в
других странах восточной Европы начато постепенное переоборудование систем ТN-С на
системы ТN-S. При проектировании новых зданий система ТN-С уже не предусматривается.
В сетях высокого напряжения с напряжением до 35 кV нейтральная точка источника
питания в простейшем случае не заземлена (рис. 4.5.8,а). В случае однофазного замыкания на
землю контур тока, аналогично сетям IТ низкого напряжения, имеет емкостной характер; ток
замыкания на землю относительно мал и не требует немедленного отключения. Но если
протяженность сети и, как следствие, емкость фаз относительно земли настолько велики,
что ток замыкания на землю превышает некоторое максимально допускаемое значение, то
нейтраль сети может заземляться через индуктивное сопротивление (заземляющий реактор)
(рис. 4.5.8,b). Индуктивность рассчитывают таким образом, чтобы в месте замыкания на
землю возник резонанс токов ( индуктивное сопротивление равно емкостному
сопротивлению или это наз. реактивным сопротивлением, которое равно нулю)
Рис. 4.5.8. Сеть высокого напряжения с незаземленнои (a), с резонансно-заземленной (b) и глухо заземленной (с)
нейтралью. 1 вторичная обмотка трансформатора, питающего данную сеть, 2 заземляющий реактор
и ток замыкания на землю уменьшился практически до нуля {резонансное заземление). В
обоих случаях замыкание одной фазы на землю приводит к повышению напряжения
остальных фаз относительно земли до междуфазного напряжения, поэтому изоляцию между
фазами и землей приходится выбирать на это напряжение.
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
При напряжении 110к\/ или выше нейтраль сети непосредственно {глухо) заземлена (рис.
4.5.8,с), в результате чего напряжение фаз относительно земли не может повышаться выше фазного напряжения, что соответственно снижает стоимость изоляции линий электропередачи.
Номинальное напряжение линий как низкого, так и высокого напряжений выбирается тем
выше, чем больше дальность передачи и передаваемая мощность. На рис. 4.5.9 очень
приблизительно показаны области применения стандартных низких напряжений по
длине и мощности линий. Если линии длиннее, то в них могут возникать
неприемлемые потери напряжения и мощности.
500 m - ■
200--
100 --
Рис. 4.5.9. Зависимость необходимого номинального напряжения линии низкого напряжения от
длины линии (L) и передаваемой мощности ( Р) (очень приближенно)
Номинальные напряжения и другие характеристики электрических линий, проводок и
сетей выбираются на основании технико-экономического сравнения вариантов, учитывая
как требуемые капиталовложения, так и текущие расходы, неравномерность нагрузок во
времени и рост нагрузок в будущем.
Зависимость фактической передаваемой мощности от номинального
представлена для большинства существующих линий на рис. 3.5.8.
напряжения
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
Зависимость передаваемой мощности трехфазной линии электропередачи от номинального напряжения
(приблизительно).
Когда требуется передавать очень большую мощность (например, несколько гигаватт) на
большое расстояние (например, несколько тысяч километров), вместо трехфазных линий
высокого напряжения могут использоваться линии постоянного тока высокого напряжения
по принципу, изображенному на рис. 4.5.11.
Рис. 4.5.11. Принцип электропередачи на постоянном токе. 1 выпрямитель, 2 линия постоянного
тока высокого напряжения, 3 инвертор
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
Как воздушные, так и кабельные линии постоянного тока проще и дешевле, чем линии трехфазного переменного тока той же мощности см., например, рис. 3.5.10), но для передачи
энергии постоянным током на обоих концах линии требуются мощные и дорогие
тиристорные или силовые транзисторные преобразователи. Поэтому во всем мире к началу
2008 года имелось приблизительно лишь 70 линий такого типа.
Сравнение воздушных линий переменного и постоянного тока при напряжении 400 кV и передаваемой мощности
1400 MW. Слева – промежуточная стальная опора линии переменного тока, справа – постоянного тока. Обе линии
снабжены молниезащитными тросами.
За последнее время полупроводниковые преобразователи стали дешевле, и передачу на постоянном токе начали применять и при относительно малой передаваемой мощности.
Первым в мире такие легкие линии постоянного тока высокого напряжения, передаваемой
мощностью от нескольких десятков до нескольких сотен мегаватт и длиной
приблизительно до 100 km , стал строить в 1997 году электротехнический концерн АББ
(АВВ). Передаваемая мощность первой такой линии Хельшён-Грянгесберг (Южная
Швеция)
Линии постоянного тока применяются и для соединения между собой энергетических
систем, работающих друг относительно друга несинхронно. Через морские кабельные линии
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
постоянного тока, например, энергосистемы Норвегии и Швеции связаны с
энергосистемами Дании, Германии, Польши и Нидерландов, а также энергосистема Эстонии
с энергосистемой Финляндии (рис. 4.5.13). С той же целью между соседними
энергосистемами могут устанавливаться преобразовательные звенья постоянного
тока(например, между энергосистемами России и Финляндии в Выборге).
После того, как в апреле 1986 года физики научно-исследовательской лаборатории
фирмы 1ВМ в Рюшликоне ( Швейцария) Карл Александер Мюллер 1927 г. рожд.) и Иоганнес
Георг Беднорц 1950 г. рожд.) открыли высокотемпературную сверхпроводимость
(имеющую место при температуре от -200 °С до -110°С), появились реальные
возможности использовать это явление для создания кабелей с нулевым активным
сопротивлением и, следовательно, с нулевыми потерями электроэнергии. Первая такая
кабельная линия (30 к\/, 2000 А, 30 т), в которой в качестве проводящего материала
использовалась керамическая фольга Вi-Sr-Са-Си-О, охлаждаемая жидким азотом при
температуре -196°С, была введена в опытную эксплуатацию в 2001 году на одной из
подстанций Копенгагена ( Дания). В конце того же года в Детройте ( США) была проложена
кабельная линия длиной 120 m с номинальным напряжением 24 кV, в которой масса
проводникового материала составляла всего 320 кg; масса меди в стандартном медном
кабеле той же передаваемой мощности составляла бы 4,4 тонны. Более широкому
применению сверхпроводящих линий пока препятствует их весьма высокая стоимость.
АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
Под аккумулированием (накоплением) энергии понимается ввод какого-либо вида энергии
в устройство, оборудование, установку или сооружение - в аккумулятор (накопитель)
энергии - для того, чтобы эту энергию оттуда затем в удобное для потребления время снова в
том же или в преобразованном виде получить обратно. Для зарядки аккумулятора энергией
иногда нужна дополнительная энергия, и в процессе зарядки могут возникать потери
энергии. После зарядки аккумулятор может оставаться в состоянии готовности (в
заряженном состоянии), но и в этом состоянии часть энергии может теряться из-за
произвольного рассеяния, утечки, саморазряда или других подобных явлений. При отдаче
энергии из аккумулятора также могут возникать ее потери; кроме того, иногда невозможно
получить обратно всю аккумулированную энергию. Некоторые аккумуляторы устроены
так, что в них и должна оставаться некоторая остаточная энергия. Состояние аккумулятора
при потреблении энергии, во время готовности, при отдаче энергии и после отдачи
схематично представлено на рис. 5.1.1.
На рис. 5.1.1 использованы международные стандартные индексы in (лат. inductio, 'ввод'), ех
(лат. ехeсssus, 'выход'), d (лат. dissipato ,'рассеяние') и res (лат. residiuum, 'остаток').
Аккумулирование энергии обычно понимается как целенаправленное действие. Однако
энергия может аккумулироваться (накапливаться) и независимо от воли или действий
человека - в результате физических процессов, происходящих в природе или в искусственных
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
устройствах. В качестве примера на рис. 5.1.2 представлены некоторые процессы
аккумулирования энергии в природе. Кроме них следует отметить
■ очень большое количество тепла, содержащегося в горячих жидких внутренних cлоях
Земли,
■ кинетическую энергию вращения Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси,
■ кинетическую энергию ветра, водных потоков и движущихся предметов,
■ химическую энергию, накопленную в живых существах.
Дополнительная
энергия
1
2
Потери
Произвольное
энергии
рассеяние
∆Win
∆Wd
Потери
энергии
∆Wex
Произвольное
рассеяние
∆Wd’
Рис. 5.1.1. Состояние аккумулятора энергии (А) (упрощенно). 1 прием энергии, 2 состояние
готовности, 3 отдача энергии, 4 разряженное состояние. Рin потребляемая мощность, Р ех отдаваемая
мощность, tin длительность зарядки, tех длительность отдачи энергии. W аккумулированная
энергия, Wres остаточная энергия, ∆Win потери при зарядке, ∆Wex потери при отдаче энергии, ∆Wd,
потери энергии из-за произвольного рассеяния
При искусственном аккумулировании энергии могут ставиться следующие цели:
■ создание запаса энергии (обычно в виде запасов топлива) при прерывистом поступлении
энергоносителей, а также на случаи временного прекращения поставок энергии или воз
никновении кризисных ситуаций и т. п.;
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
■ получение большой кратковременной мощности от источников питания ограниченной
мощности, например, для питания ламп-вспышек или установок точечной сварки ;
■ осуществление энергоснабжения, не зависимого от внешних источников энергии, напри
мер, в средствах передвижения, при использовании переносного и перемещаемого обо
рудования;
■ выравнивание переменной нагрузки, например, в поршневых механизмах, при исполь
зовании пневматических инструментов, при чрезмерной неравномерности суточных гра
фиков нагрузки энергосистем (рис. 4.1.5) и в других подобных случаях.
1 – выравнивание суточного графика нагрузки путем аккумулирования энергии Win во время ночного
минимума нагрузки и использования аккумулированной энергии Wex для покрытия дневных пиков нагрузки; 2
– получаемый в идеальном случае равномерный график нагрузки.
Аккумуляторы энергии обычно характеризуются
■ видом аккумулируемой энергии (электроэнергия, тепло, механическая энергия, химическая
энергия и др.),
■ количеством аккумулируемой энергии,
■ потребляемой и отдаваемой мощностью,
■ длительностью зарядки и отдачи энергии,
■ кпд аккумуляции
■ удельной аккумулирующей способностью на единицу массы или объема,
■ абсолютной абсолютной и удельной стоимостью аккумулятора,
■
удельной стоимостью получаемой из аккумулятора энергии.
η = Wex /Win
Wex - отдаваемая из аккумулятора энергия
Win - потребляемая аккумулятором энергия
АККУМУЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
В пружине энергия аккумулируется при упругой деформации и освобождается при
возврвщении пружины в первоначальное состояние.
Деформация пружины может выражаться формулой
s = P/s
s – деформация пружины m
P - действующая сила N
s - жесткость пружины N/m
Если в начале деформирования действующая сила равна нулю, то запасенная в пружине
энергия в конце деформирования равна
W = P s/ 2 = c s2 /2
W – запасенная энергия J
P – действующая силаN
c – жесткость пружины N/m
s – деформация пружины m
В случае спиральных пружин действующую силу в этих формулах необходимо заменить на действующий вращающий момент, а линейную деформацию - на угловую деформацию.
Пружины изготавливаются чаще всего из специальной (пружинной) стали, но применяются и
другие металлы и сплавы.
Пружины широко применяются в ударных и других быстродействующих механизмах (в
том числе в механизмах быстрого отключения электрических аппаратов), в амортизаторах
ударов и вибрации, в колебательных механизмах и в пружинных приводах. Благодаря
простоте, дешевизне и надежности они иногда находят применение и в качестве привода
маломощных электрогенераторов (например, в аппаратах связи, предусмотренных для
использования в полевых условиях).
Кпд грузовых и пружинных аккумуляторов энергии, по сравнению с другими способами
аккумуляции, весьма высок (почти 100%), но их удельная аккумулирующая способность
относительно мала. Намного более эффективно энергия может аккумулироваться в
маховике (рис. 5.2.5).
Рис. 5.2.5. Пример принципа устройства маховикового привода.
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
1 приводной двигатель, 2 маховик (в разрезе), 3 рабочая машина (энергоприемник), 4
муфты (в разрезе, механизмы сцепления не показаны), 5 подшипники (опорные
конструкции не показаны). т масса маховика, r радиус инерции
Энергия, аккумулированная (запасенная) во вращающемся маховике, выражается формулой
W = J ω2 /2
W - аккумулированная энергия J
J - момент инерции маховика kg∙m2
ω – угловая скорость вращения rad/s
Момент инерции определяется, как известно, формулой
J = m r2
m – масса маховика kg
r – радиус инерции m
приблизительно можно считать, что этот размер равен среднему расстоянию сечения обода
маховика от оси вращения
Поэтому удельную аккумулирующую способность маховика можно выражать в виде
w = W /m = rω2 /2
w – удельная аккумулирующая способность J/kg
W – аккумулированная энергия J
r – радиус инерции m
ω – угловая скорость rad/s
Ось маховика может быть либо горизонтальной (как на рисунке), либо вертикальной. Так
как в настоящее время частота вращения маховиков может составлять (2000...65 000) г/min
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
или угловая скорость (200...6800) гаd/s, а радиус инерции соответственно не более 1 m или
0,2 m, то их удельная аккумулирующая способность находится в пределах от 20 kJ/kg до
930 kJ/kg или от 5 Wh/кg до 260 Wh/кg. Если учесть и массу опорных конструкций,
подшипников и оболочки, то эта величина уменьшится приблизительно в два раза, но
остается все же почти на три порядка выше, чем у грузовых и пружинных аккумуляторов.
При больших скоростях (начиная приблизительно с 20 000 r/min) центробежные силы
настолько возрастают, что маховики приходится изготавливать часто не из специальной
стали, а из более прочных материалов (например, армированных углеродными волокнами).
При таких скоростях, кроме того, вместо шариковых или роликовых подшипников
необходимо пользоваться электромагнитными. Очень часто это существенно повышает
стоимость маховиковых аккумулирующих устройств, из-за чего и себестоимость
аккумулированной энергии может достигать от нескольких сотен до 25 000 евро за
киловатт-час. Однако благодаря надежной конструкции, большому сроку службы,
относительно малым размерам, высокому кпд (от 92 % до 95 %) и большой
аккумулирующей способности (от 1 МJ до 6 GJ) они часто находят применение:
■ для выравнивания неравномерности вращающего момента приводного двигателя или
рабочей машины (например, в случае двигателей внутреннего сгорания или поршневых
компрессоров,
■ в агрегатах гарантированного бесперебойного электропитания для перекрытия кратковре
менных перерывов электроснабжения в электрических сетях (длительностью от несколь
ких секунд до нескольких минут),
■ для получения большой кратковременной (импульсной) мощности,
■ для обеспечения автономной работы средств передвижения или других энергоприемников
на определенном промежутке времени (до нескольких десятков минут).
Первым маховиком может считаться поворотный стол, изобретенный для формирования круглых
глиняных сосудов (горшков) в Египте приблизительно 7000 лет назад.
Намного дешевле аккумулировать механическую энергию пневматическим способом, при
помощи сжатого воздуха, так как резервуар сжатого воздуха (рис. 4.2.6) предельно прост и
практически не требует никакого ухода.
Давление в резервуаре сжатого воздуха определяется приемниками сжатого воздуха и
составляет, например, для питания пневматических инструментов (0,2...0,5) МРа, а для
приводов выключателей высокого напряжения - 2 МРа. Энергия, освобождаемая при
расширении сжатого воздуха, зависит от характера изменения давления во время
расширения и не может однозначно определяться объемом бака 1/ 0 и давлением р.
Однако если начальное давление намного боль ше конечного (например, 2 МРа при
конечном давлении в 0,1 МРа), то получаемую энергию с некоторой погрешностью, но
сильно упрощенно можно считать равной потенциальной энергии, запасенной в баке,
и выразить формулой
W = p Vo /2
Учитывая, что
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
Vo = p V /po
V = m/γ γ = γo p/ po
m - масса воздуха в баке kg
γ – плотностьp воздуха при давлении р kg/m3
γo – плотность воздуха при давлении po ( атмосферном) kg/m3
получаем
W = p2V / 2γo = pm/ 2 γo
Следовательно, в таком случае удельная аккумулирующая способность резервуара
сжатого воздуха равна
w = W/m = p/ 2γ0
При давлении 2 МРа и плотности воздуха 1 кg/m3 удельная аккумулирующая способность резервуара
сжатого воздуха составляет по этому расчету 1 МJ/кg. Удельная аккумулирующая способность
пневматического аккумулятора в целом намного меньше, так как масса резервуара в несколько раз
больше, чем масса запасенного в нем сжатого воздуха. Очень приблизительно можно считать, что
удельная аккумулирующая способность пневматических аккумуляторов при давлении (0,2...2) МРа равна
(0,01 ...0,2) МJ/кg или (3...60)\Wh/кg. Кпд аккумулятора составляет приблизительно 50 %, а себестоимость
аккумулированной энергии - приблизительно 50 €/кWh.
Принцип устройства пневматического
акумулятора.
1 – компрессор, 2 – резервуар сжатого воздуха,
3 – присоединение к приемнику сжатого
воздуха. р –давление, V – объем бака.
АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Электроэнергия может аккумулироваться
■ в конденсаторах (в виде энергии электрического поля),
■ в катушках индуктивности (в виде энергии магнитного поля),
■ в первичных и вторичных гальванических элементах (в виде химической энергии).
Принцип устройства простейшего (плоского)
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
конденсатора представлен на рис. 4.5.1.
Принцип устройства плоского конденсатора. 1 – электроды (обкладки), 2 - диэлектрик
Емкость такого конденсатора определяется известной формулой
С = ε A/d
C – емкость F
A – площадь обкладки m2
d – толщина диэлектрика m
ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика F/m
Энергия, запасенная в конденсаторе, определяется формулой
W = CU2/2
W – запасенная энергия J
C – емкость конденсатора F
U - напряжение, приложенное к конденсатору, V
Если использовать обкладки из фольги и многослойный пленочный диэлектрик, то можно изготовить конденсаторы рулонного типа, у которых удельная аккумулирующая
способность находится приблизительно в пределах от 0,1 J/кg до 1 J/кg или от 0,03 MWh/кg до
0,3 MWh/кg. Из-за малой удельной аккумулирующей способности конденсаторы такого вида
не подходят для длительного сохранения существенного количества энергии, но они широко
применяются как источники реактивной мощности в цепях переменного тока и как
емкостные сопротивления.
Значительно более эффективно энергия может аккумулироваться в электролитических
конденсаторах, принцип устройства которых изображен на рис. 4.5.2.
Так как толщина слоя диэлектрика в этом случае обычно остается в пределах 0,1 µm, то
эти конденсаторы могут изготовляться с очень большой емкостью (до 1 F), но на относительно
малое напряжение (обычно на несколько вольт).
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
Принцип устройства электролитического конденсатора. 1- металлический лист или фольга (алюминий, танатал
или др.), 2 – диэлектрик из окиси металла (Al2O3, Ta2O5 или др.), 3 – бумага и т.п., пропитанная электролитом
(H3BO3, H2SO4, MnO2 или др.) и глицерином.
Еще большую емкость могут иметь ультраконденсаторы (супер-конденсаторы, ионисторы), обкладками которых служит двойной электрический слой толщиной в несколько десятых
долей нанометра на границе раздела электрода, изготовленного из микропористого графита,
и электролита (рис. 4.5.3). Эффективная площадь обкладок таких конденсаторов достигает,
благодаря пористости, до 10 000 m2 на каждый грамм массы электродов, что позволяет
достигать очень большой емкости при очень малых размерах конденсатора. В настоящее
время ультраконденсаторы выпускаются на напряжение до 2,7 V и емкостью до 3 кF. Их
удельная аккумулирующая способность находится обычно в пределах от 0,5 Wh/кg до 50
Wh/кg; имеются опытные образцы с удельной аккумулирующей способностью до 300 Wh/кg.
Принцип устройства ультраконденсатора. 1 – электроды из микропористого графита, 2 – электролит.
Технология изготовления ультраконденсаторов весьма сложна, и стоимость на единицу
сохраняемой в них энергии поэтому намного выше, чем у других конденсаторов, доходя до
50 000 €/kWh. Несмотря на это, благодаря простоте конструкции, малым размерам, надежности, высокому кпд (95 % и более) и долговечности (несколько миллионов циклов зарядаразряда), они стали применяться как в транспортных средствах, так и в промышленных
силовых установках взамен электрохимических аккумуляторов и других средств
аккумулирования энергии. Особо выгодны они тогда, когда энергия потребляется в виде
коротких импульсов (например, для питания стартера двигателей внутреннего сгорания) или
когда требуется быстрая {секундная) зарядка аккумулирующего устройства. Например, в 2005
году в Шанхае началась опытная эксплуатация ультраконденсаторных автобусов, батарея конденсаторов которых заряжается во время стоянки автобуса на каждой остановке.
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
В катушке индуктивности энергия аккумулируется в виде магнитного поля, когда через
катушку протекает постоянный ток. При подключении к катушке цепей потребления
электроэнергии и одновременном снижении или прекращении тока возбуждения магнитного
поля в этих цепях возникает ток и выделяется энергия. На рис. 4.5.5а представлен случай,
когда к катушке индуктивности подключается электроприемник и одновременно
отключается питание катушки от источника постоянного тока. Такая операция, в частности,
используется для гашения магнитного поля при отключении обмоток возбуждения
электрических машин, чтобы в переходном процессе не возникали опасные
перенапряжения.
Использование энергии, аккумулированной в катушке индуктивности, путем подключения электроприемника
последовательно с катушкой (а) или при откючении катушки, снабженной вторичной обмоткой (в). I –
постоянный ток,протекающий в обмотке катушки, L - индуктивность, i - затухающий импульс тока,
возникающий в электроприемнике.
На рис. 4.5.5b представлена передача энергии, аккумулированной в магнитном поле
катушки индуктивности, в цепь электроприемника через вторичную обмотку катушки при
отключении катушки от источника питания. Во вторичной цепи электрическая энергия
может преобразоваться в другие виды энергии (например, в тепло или в механическую
энергию).
Удельная аккумулирующая способность катушек индуктивности обычно весьма мала (0,1...1) J/кg, или (0,03...0,3) mWh/кg. Только в случае применения сверхпроводящих обмоток
катушки индуктивности можно аккумулировать энергию, достаточную для использования,
например, в энергосистемах, подверженных быстрым колебаниям электрической нагрузки.
Принцип действия первичных гальванических элементов основан на использовании
электродвижущей силы (ЭДС), возникающей между электродами из отличающихся друг от
друга веществ, вступающих в электрохимическую реакцию с электролитом, находящимся
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
между ними. Получаемая при этом электрическая энергия определяется количеством
реагирующих веществ (используемой массой электродов и электролита) и характеризуется
■ начальной ЭДС, находящейся обычно, в зависимости от типа элемента, в пределах от 1 V до
3 V,
■ зарядом, отдаваемым в питаемую элементом электрическую цепь при заданном способе
разряда (например, при некотором неизменном токе нагрузки или при постоянном сопро
тивлении нагрузочной цепи); эта величина называется емкостью и выражается обычно в
ампер-часах (Аh).
Схема соединения гальванического элемента при разряде изображена на рис. 4.5.6.
Схема соединения гальванического элемента с нагрузочным сопротивлением (R). i - нагрузочный ток, u напряжение на зажимах элемента.
Получаемая при разряде энергия, которую можно считать равной аккумулирующей
способности элемента, может определяться формулой
W = ∫ u i dt
u – напряжение на зажимах элемента
V
i – нагрузочный ток A
t – время h
W получаемая энергия Wh
Рис. 4.5.7. Принцип устройства угольно-цинкового первичного элемента. 1 контактная
(например, латунная) шапка, 2 графитовый
стержень, 3 изоляция, 4 катод (двуокись
марганца), 5 электролит (паста хлористого
аммония), 6 анод (в виде цинкового стаканчика),
7 изоляционная оболочка, 8 донный (например,
латунный) контактный кружок
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
В качестве примера на рис. 4.5.7 представлен принцип устройства широко применяемого
угольно-цинкового первичного элемента. При замкнутой внешней электрической цепи в
этом элементе происходят химические реакции, в результате которых
■ на аноде 6 атомы цинка растворяются, отдают два электрона и соединяются с
электролитом в хлористо-аммониевый цинк,
■ на катоде 4 двуокись марганца МnО2 редуцируется в окись трехвалентного марганца
Мn2О3.
На границе графитового стержня и двуокиси марганца возникает при этом водородный
слой, который увеличивает внутреннее сопротивление элемента и снижает ЭДС. Начальная
ЭДС угольно-цинкового первичного элемента составляет приблизительно 1,5 V, а отдаваемая
на единицу массы энергия при разряде до 0,8 V находится обычно, в зависимости от
конкретного типа элемента, в пределах от 60 Wh/кg до 80 Wh/кg.
Электрохимические реакции происходят в гальваническом элементе и тогда, когда внешняя цепь разомкнута. Такой процесс называется саморазрядом; угольно-цинковый
первичный элемент саморазряжается приблизительно за 1,5 года.
Более эффективными, чем угольно-цинковые, являются щелочные марганцево-цинковые
первичные элементы, в качестве электролита в которых обычно применяется гидроокись
калия (КОН). Внешне такой элемент похож на угольно-цинковый, но его оболочка выполнена
из металла и соединена с положительным полюсом; кроме того, вместо графитового стержня
применяется латунный. Начальная ЭДС также равна 1,5 V, но удельная энергоемкость намного
больше - чаще всего от 120 Wh/кg до 130 Wh/кg.
Еще более эффективно энергия может аккумулироваться в литиевых первичных элементах,
начальная ЭДС которых равна 3\/, а удельная аккумулирующая способность находится, в
зависимости от конкретного типа, в пределах от 250 Wh/кg до 600 Wh/кg.
В 70 – ых годах разработан серно-натриевый аккумулятор, ЭДС которого 2,0 V до 2,1 V , а
теоретическая аккумулирующая способность равна 1, 29 kWh/kg.
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
Рис.4.5.12. Границы удельной аккумулирующей способности (w) и удельной мощности (р) некоторых аккумулирующих
устройств (приближенно) Hoograttad – махвики, Ülikondesaatorid – ультракоденсаторы.
Первичные гальванические элементы хорошо подходят для работы в длительном режиме, а
аккумуляторы могут использоваться как для длительной работы, так и для покрытия
кратковременных и толчковых нагрузок. Конденсаторы и катушки индуктивности
используются, главным образом, для покрытия импульсных нагрузок и для выравнивания
мощности при быстрых изменениях нагрузок. Для выравнивния мощности, отдаваемой в
энергосистему ветряными и солнечными электростанциями, могут применяться комбинации
аккумуляторов с ультраконденсаторами [5.2]. Область применения некоторых аккумулирующих устройств по длительности нагрузки и отдаваемой мощности характеризует
рис. 4.5.12.
СТРУКТУРА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ОТРАСЛЯХ НАРОДНОГО
ХОЗЯЙСТВА
Использование энергии на промышленном предприятии
Energia liik, energiakandja – виды
энергии, энергоносители
Põlevad tootmisjäägid – горючие
отходы производства
Peamised tarbimisviisid – основные
способы потребления
Tarned – поставки
Kütused (keemiline energia) – Топливо
(химическая энергия)
Soojuslikud ja keemilised
tehnoloogilised protsessid – Тепловые
и химические технологические
процессы
Soojus (aur, kuum vesi) – Тепло ( пар,
горячая вода)
Tootmismasinad – Производственные
машины
Elektrienrgia – электроэнергия
Transport – транспорт
Mehaaniline energia (suruõhk jms)–
механическая энергия (сжатый
воздух и др.)
Küte – Отопление
Valgustus – Освещение
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
Структура системы электроснабжения крупного предприятия. ВН – высокое напряжение,
НН – низкое напряжение, Р – активная мощность, Q – реактивная мощность
Oma elektrijaam – собственная электростанция
Toiteliin – питающая линия
Peaalajaam – главная
понижающая подстанция
Jaotusvõrk – распределительная
сеть
Kõrgepingeline kondensaatorpatarei
– Конденсаторная батарея ВН
Kõrgepingetarviti –
Электроприемник ВН
Tsehhi trafoalajaam – Цеховая
трансформаторная подстанция
Tsehhi muundur- (nt alaldi-)
alajaam – Цеховая
преобразовательная (напр.
выпрямительная подстанция)
Reservtoiteallikas- резервный
источник питания
Tsehhi madalpingevõrk – Цеховая
сеть НН
Tsehhi alalis- vm muudatud voolu
võrk – Цеховая сеть постоянного
тока или со специальными
параметрами
Madalpingeline kondensaatorpatarei – Конденсаторная батарея
НН
Madalpingetarvitid –
Электроприемники НН
Katkematu toite allikas – Источник
гарантированного бесперебойного
питания
Katkematut toidet vajavad tarvitid –
Электроприемники, требующие
бесперебойного питания.
ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Под отрицательными изменениями в человеческом обществе и в природе обычно подразумеваются следующие явления:
■ изменение климата вследствие изменения состава атмосферы,
■ исчерпание ископаемых видов топлива и других полезных ископаемых,
■ уменьшение возобновляемых природных ресурсов, особенно уменьшение площади лесов
(продолжающаяся вырубка лесов без учета последствий),
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
■ загрязнение воздуха, воды и почвы газообразными, жидкими и твердыми выбросами,
■ звтрофикация водоемов из-за загрязнения их азотными соединениями,
■ ускоряющееся исчезновение природных ландшафтов, а также обитающих в них видов
растений и животных,
■ политическое напряжение между государствами и регионами Земли из-за неравномер
ного распределения природных (в том числе энергетических) ресурсов,
■ перенаселение менее развитых регионов Земли и вызванные этим обнищание, голод и куль
турная деградация,
■ увеличивающаяся по всему миру урбанизация,
■ возникновение новых мутаций микроорганизмов (бактерий и вирусов) и вызванных ими
новых болезней,
■ увеличение частоты производственных, дорожно-транспортных и бытовых несчастных
случаев,
■ рост преступности,
■ массовая миграция населения из бедных регионов в более зажиточные регионы Земли,
■ споры о территориях заселения и опасность военных конфликтов.
ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ
По прозрачности к оптическому излучению, в атмосфере Земли можно различать два
вида газов:
■ газы, состоящие из одно- и двухатомных молекул (инертные газы, кислород и азот), одина
ково прозрачные как коротковолновому, так и длинноволновому излучению;
■ газы, молекулы которых состоят из трех или большего числа атомов, как, например, водя
ной пар Н2О, двуокись углерода СО2, метан СН4, закись азота NO2 , озон О3 и некоторые другие,
пропускающие коротковолновое (видимое и близкое инфракрасное) излучение, но погло
щающие более длинноволновое инфракрасное излучение (длиной волны от 10 µm до
100 µm), превращая его в энергию внутримолекулярных колебаний и препятствуя этим его
рассеянию в мировое пространство.
Трех- и более многоатомные газы действуют на тепловой баланс Земли приблизительно
так же, как стекло на тепловой режим парника, из-за чего такое явление образно стали
называть парниковым эффектом, а газы, вызывающие этот эффект, - парниковыми газами.
Для обсуждения проблем, возникших в связи с явным глобальным потеплением климата, в
апреле 1995 года в Берлине была созвана пер вая конференция ООН по изменениям климата,
в которой участвовали представители 188 стран, подписавших рамочную конвенцию ООН по
изменениям климата. Было решено начать поэтапные действия для уменьшения выбросов в
атмосферу двуокиси углерода. Реальные возможности снижения выбросов как двуокиси
углерода, так и других парниковых газов обсуждались затем на очередной климатической
конференции ООН в декабре 1997 года в Киото ( Япония), где была достигнута
договоренность уменьшить выбросы парниковых газов (в пересчете на двуокись углерода)
в промышленных странах к 2012 году, вместе взятых, по сравнению с уровнем 1990 года, на
5,2% [8.3]. Для Европейского Союза в целом было предусмотрено снижение на 8%, но по
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
договоренности между тогдашними 15 членами союза для каждой из них, с учетом
особенностей их энергетики, предусматривались различные обязательства (см. рис. 7.2.10).
Требование по уменьшению выбросов на 8% относится и к тем 12 странам, которые позже
вошли в Европейский Союз (в том числе к Эстонии); исключение составляют Польша и
Венгрия (требуемое снижение - 6%). Норвегия может увеличить выбросы на 1 %, а Исландия
- на 10 %; для России и Украины предусматривалось сохранение уровня 1990 года, для США
было установ лено требование снижения выбросов на 7%, а для Австралии допускалось
повышение на 8%. Япония и Канада обязались снизить выбросы на 6%, а развивающиеся
страны (включая Китай и Индию) обязательств на себя не брали.
Одновременно было согласовано, что протокол Киотской конференции вступит в силу на
90-ый день после его ратификации, как минимум, 55 странами, совместные выбросы двуоки-
Рис.7.2.10. Требуемое снижение или допускаемое
повышение выбросов парниковых газов
(в пересчете на СО2) к 2012 году относительно 1990 года
по Киотскому протоколу
(красная вертикальная линия) и фактическое
изменение на 2004 год
в некоторых странах и в Европейском Союзе в целом
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
си углерода которых в 1990 году составляли не менее 55 % от общемировых. Это условие
было выполнено в декабре 2004 года, когда Киотский протокол был ратифицирован
Россией; протокол вступил в силу 16 февраля 2005 года. На 1 июня 2008 года протокол
ратифицирован 182 государствами и региональными экономическими союзами. США от его
ратификации отказались и предусматривают снижение опасности изменения климата
своими национальными мерами - развитием ядерной энергетики, заменой нефтяного
моторного топлива биотопливом, развитием мероприятий по экономии энергии и т. п.
В 12 странах, вступивших в Европейский Союз в 2004-2007 годах (в том числе в Эстонии) требования Киотского протокола, как показывает и рис. 7.2.10, оказались выполненными: в
1990-годах в них произошло существенное сокращение продукции тяжелой
промышленности и соответственно снизились потребление энергии расход сжигаемого
топлива и выбросы двуокиси углерода в атмосферу. То же самое относится к странам СНГ (в
том числе к России, Украине, Белоруссии).
В 2006 году к Киотскому протоколу фактически присоединился штат Калифорния США, где поставлена цель - снизить выбросы
парниковых газов в 2020 году до уровня 1990 года. Для этого приняты или запланированы мероприятия, в первую очередь, для
уменьшения выбросов СО2 (ограничение сжигания углеродистого топлива, расширение применения ветряной и солнечной энергии,
внедрение топливоэлементных и аккумуляторных электромобилей и т. д.).
Около одной трети выбрасываемой в атмосферу двуокиси углерода возникает на топливосжигающих электростанциях . В связи с этим необходимо отметить, что на сланцевых
электростанциях Эстонии на единицу вырабатываемой электроэнергии возникает несколько
больше двуокиси углерода, чем при использовании других видов топлива (см. рис. 7.2.11). В
странах, в которых электроэнергия вырабатывается не только на топливосжигающих, но и на
атомных, гидравлических, ветряных и геотермальных электростанциях, выбросы двуокиси
углерода на единицу вырабатываемой электроэнергии заметно меньше, чем в Эстонии
Рис. 7.2.11. Возникновение двуокиси углерода при выработке электроэнергии на топливосжигающих
электростанциях. В случае горючего сланца меньшее значение относится к топкам с кипящим слоем,
а большее значение - к топкам для сжигания пылевидного сланца
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
Для замедления опасных последствий парникового эффекта предусматривают следующие
основные мероприятия:
■ более широкое использование ядерной, гидравлической, ветряной, геотермальной и сол
нечной энергии вместо сжигаемого топлива,
■ использование природного газа вместо твердого топлива,
■ использование возобновляемого топлива (в первую очередь - древесины) вместо ископа
емого топлива, исходя из факта, что при сжигании древесины выделяется ровно столько
же двуокиси углерода, сколько потребовалось бы брать из воздуха при образовании
древесины,
■ замена бензина природным газом или этанолом, получаемым из растений (например, из
сахарного тростника),
■ замена традиционного дизельного топлива биодизелем, получаемым из растительного
(например, рапсового) масла,
■ более широкое применение топливных элементов, работающих на водороде, природном
газе или метаноле,
■ улучшение теплоизоляции зданий в целях снижения расхода энергии для отопления,
■ более экономное использование энергии,
■ сокращение потерь энергии.
Рассматривается и перекачивание двуокиси
углерода под землю (например, в нефтяных месторождениях, где таким путем одновременно
повышается давление в нефтеносных пластах, облегчающее выкачивание нефти) или в водоемы (пруды).
Для развития сотрудничества между странами, подписавшими Киотский протокол, в нем
предусмотрены так называемые механизмы гибкости, заключающиеся
■ в торговле квотами, при которой государства или отдельные хозяйствующие субъекты
(предприятия, объединения и т. п.) на их территории могут продавать или покупать кво
ты на выбросы парниковых газов на национальном, региональном или международном
рынках;
■ в проектах совместного осуществления по сокращению выбросов парниковых
газов, выполняемых на территории одной из индустриальных стран полностью или
частично за счет инвестиций другой индустриальной страны;
■
в механизмах чистого развития, под которыми подразумеваются проекты по сокращению
выбросов парниковых газов, выполняемые на территории одной из развивающихся стран
полностью или частично за счет инвестиций индустриальной страны.
Торговлю квотами на выбросы загрязняющих веществ предложил в 1968 году
канадский экономист Дж. X. Дейлс , имея в виду ограничить таким путем загрязнение
водоемов промышленными сточными водами. По этой идее необходимо
■ установить политическим решением для конкретной страны или конкретного региона на
определенный промежуток времени (например, на год) максимально допускаемое коли
чество выбросов некоторого вредного вещества (двуокиси углерода, двуокиси серы или
других);
■ выдавать затем хозяйствующим субъектам или входящим в регион странам в пределах этого
допускаемого количества квоты (сертификаты) на выбросы этого вещества.
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
Если каким-либо хозяйствующим субъектам или государствам удастся снизить
выбросы ниже, чем предусмотрено выданными им квотами, то часть своих квот они могут
продать другим хозяйствующим субъектам или государствам, у которых выбросы превышают
выданные квоты. Так как торговля квотами свободна, то их стоимость определяется
соотношением спроса и предложения.
13 октября 2003 года была принята Европейская директива по торговле квотами на выбросы парниковых газов [8.9], и 1 января 2005 года начался первый (опытный) этап этой
торговли, рассчитанный до конца 2007 года. Наиболее крупным энергетическим и
промышленным предприятиям были выданы квоты на выбросы 1,78 Gt. двуокиси
углерода, установленные выбросы составляли 1,65 Gt. Другие парниковые газы, а также
транспорт и бытовое хозяйство на этом этапе не предусматривались. Цена квоты на выбросы
двуокиси углерода в 2005 и 2006 годах колебалась между 10 €/ t и 30 €/t, но в 2007 году
снизилась до 0,07 €/t, так как в конце 2007 года они стали недействительными.
Второй этап торговли, совпадающий с положениями Киотского протокола, предусмотрен с
2008 по 2012 год, причем, выдаваемые квоты, по сравнению с первым этапом, существенно
сокра щены. Дальнейшие сокращения предусмотрены на третьем этапе (с 1213 по 2020 год).
К 2020 году намерено уменьшить выбросы парниковых газов в странах Европейского Союза
на 20%, а если другие страны мира примут такие же меры, то даже на 30% [8.10].
Проекты совместного осуществления и механизмы чистого развития также должны
привести к уменьшению выбросов парниковых газов. После проверки их результатов
страны-инвесторы получают соответствующее количество квот на выбросы парниковых
газов.
Уменьшение выбросов двуокиси углерода можно стимулировать и при помощи дополнительного налогооблажения использования углеродосодержащих видов топлива (в том числе
природного газа и моторного топлива). Например, в Швейцарии в 2006 глду было
предложено установить налог на выбросы СО2 в размере до 36 франков за тонну, что
означало бы удорожание природного газа на 12% .
Так как весьма значительная часть выбросов двуокиси углерода в атмосферу происходит
от средств передвижения , то в Европейском Союзе обсуждается предложение установить
для легковых автомобилей норму выбросов СО2 не более 120 g на километр пути, что
соответствует расходу 5,0 литра бензина или 4,5 литра дизельного топлива на 100 кm. Производители автомобилей, у которых выбросы СО2 превышают 140g/кm, должны купить
разрешение на выбросы, что повышает стоимость таких автомобилей. Например, легковые
машины марки Сitroen (145 g/km) удорожали бы на 150 евро, а марки Роrschе (297 g/кm) - на
4650 евро. Лег ковые машины с меньшими выбросами стали бы соответственно дешевле;
например, машины марки Smart (116 g/km) подешевели бы на 720 евро [8.12]. ЭТО означает
переход на преимущественное использование легковых автомобилей с меньшей массой, так
как расход топлива и выбросы двуокиси углерода существенно зависят от массы автомобиля
(рис. 8.2.13).
Все меры по уменьшению выбросов парниковых газов в настоящее время направлены на то,
чтобы повышение средней температуры поверхности Земли к 2100 году не превышало 2 К.
Для этого необходимо стабилизировать общую массу выбросываемых парниковых газов (в
пересчете на СО2) в пределах от 29 Gt до 34 Gt, а концентрацию СО2 в атмосфере - на уровне 450
ррm [8.10]. ЭТО может потребовать больших расходов, но бездействие, учитывая серьезность
положения, означало бы слишком большой риск для будущего Земли.
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
В 2005 году группа восьми крупных экономически наиболее развитых стран (G8), в которую
входят (в порядке стоимости их валового внутреннего продукта) США, Япония, Германия,
Великобритания, Франция, Италия, Канада и Россия, поручила Международному
энергетическому агентству (1ЕА) разработать стратегический план действий для предотвращения опасных изменений климата, по развитию чистой энергетики и для обеспечения
последовательного экономического развития.
В результате исследований, проведенных этим агентством, к 34-ой встрече руководителей
стран G8 в Тойако (Тоуако, остров Хоккайдо, Япония), проведенной с 7 по 9 июля 2008 года,
был пред ставлен план, по которому выбросы двуокиси углерода в 2050 году, по сравнению с
2005 годом, должны сократиться на 50 %, и не превышать 14 6т./а [8.13]. Сокращение
должно обеспечиться
■ на 24% - более эффективным использованием топлива конечными потребителями,
■ на 21 % - путем использования возобновляемых энергоресурсов,
■ на 12 % - более эффективным использованием электроэнергии конечными потребителями,
■ на 11% - более широким использованием конечными потребителями топлива, при сго
рании которого меньше выделяется двуокиси углерода (например, использованием природ
ного газа вместо твердого топлива),
■ на 10% - путем улавливания и аккумулирования двуокиси углерода на электростанциях,
■ на 9% - путем улавливания и аккумулирования двуокиси углерода в промышленности и
при преобразовании энергии,
■ на 7 % - повышением кпд электростанций и более широким использованием на элект
ростанциях топлива, при сгорании которого меньше выделяется двуокиси углерода,
■ на 6% - более широким использованием ядерной энергии.
8 июля 2008 года руководителями государств G8 план был принят. Однако некоторые
организации по охране окружающей среды и специалисты по климатологии считают этот
план недостаточным и придерживаются мнения, что для предотвращения климатической
катастрофы выбросы парниковых газов в мире необходимо уменьшить к 2020 году на 25 %
... 40 %, а к 2050 году - на 80 %.
О ПЕРСПЕКТИВАХ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ ЭСТОНИИ
Особенностями энергетического хозяйства Эстонии являются
■ покрытие энергопотребления на 2/3 за счет собственных первичных энергоресурсов горючего сланца, древесины и торфа, а также (в намного меньшей мере) ветряной и
гидравлической энергии, жидкого и газового биотоплива,
■ выработка электроэнергии почти на 90 % путем сжигания местного ископаемого
топлива - горючего сланца,
■ зависимость от импорта природного газа и жидкого топлива,
■ интенсивные железнодорожные транзитные перевозки (главным образом - жидкого
топлива из России в порты Эстонии),
■ наличие большого количества физически и морально устаревшего оборудования на элек
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
тростанциях, подстанциях и в сетях.
Направления развития энергетического хозяйства Эстонии определены в соответствующей государственной программе , в которой рассматриваются
■ использование возобновляемых энергоресурсов,
■ выработка и ценообразование электроэнергии, прогнозы электропотребления,
■ развитие электрических сетей,
■ торговля электроэнергией,
■ вопросы свободного рынка и международное сотрудничество в энергетике,
■ воздействие выработки электроэнергии на окружающую среду,
■ размеры необходимых капиталовложений,
■ налоговая политика.
Составлена также целевая программа по энергосбережению с 2007 по 2013 год .
На основании вышеназванных руководящих документов и учитывая возможности,
рассмотренные в настоящей книге, наиболее существенными направлениями развития
энергетики Эстонии могут считаться
■ более эффективное использование горючего сланца на сланцевых электростанциях путем
обновления котельных агрегатов, перехода на технологию сжигания сланца в топках с
кипящим слоем и на сверхвысокие параметры пара,
■ расширение производства сланцевого масла,
■ использование газа, возникающего при производстве сланцевого масла,
и техническое использование золы, образующейся на сланцевых электростанциях,
- более широкое использование возобновляемых энергоресурсов в соответствии с целями,
установленными Европейским Союзом, как путем сооружения ветряных и гидравлических
электростанций, так и путем использования топливной древесины для выработки
электроэнергии,
- участие в сооружении новой атомной электростанции в Литве и определение целесообразности сооружения собственной атомной электростанции,
- строительство газотурбинной электростанции вблизи Таллинна для обеспечения аварийного
резерва выработки электроэнергии,
- развитие обмена электроэнергией с Финляндией и с энергосоюзом Скандинавии, в
будущем - присоединение к европейскому Союзу координации передачи электроэнергии
(вместе с Латвией и Литвой),
- обновление электрических сетей и подстанций,
■ развитие малоэнергоемких отраслей промышленности улучшение тепловой
изоляции здании для снижения расхода энергии на отопление,
■ развитие железнодорожного транспорта и в перспективе - соединение Эстонской железной дороги со скоростной железнодорожной сетью Европы (например, путем сооружения
железнодорожных линий Таллинн-Берлин и Таллинн-Вена),
■ исследование возможностей использования энергии солнечного излучения,
■ экономическое стимулирование (в том числе со стороны государства) эффективного и
бережливого использования энергии.
Особенно важным следует считать соединение энергосистемы Эстонии с европейским Сою
зом координации передачи электроэнергии и с энергосоюзом Скандинавии, что обеспечило
Материалы лекций подготовлены на основе книги: Эндель Ристхейн. Введение в энерготехнику. Таллинский технический
университет. Институт электропривода и силовой электроники. Таллин, 2008. 328с.
бы высокую надежность электроснабжения и позволило бы участвовать на рынке
электроэнергии Европы, устанавливать оптимальную цену на электроэнергию.
Примеры расходования тепла на отопление зданий.
1 – расход тепла в новостройках Германии с 1971 по 1991 год, 2 – немецкий стандарт по потреблению тепла DIN
4108, 3, 4, 5 – первое , второе, третье постановления, принятые в Германии по экономии потребления тепла, 6 –
действующее в Германии с 2002 года постановление по экономии энергии, 7 - расход тепла в зданиях, построенных
в 1960... 1995 годах в Эстонии.