Производство электроэнергии - Electricity generation

Схема электроэнергетической системы, система генерации красным цветом

Производство электроэнергии - это процесс производства электроэнергии из источников первичной энергии . Для коммунальных предприятий в электроэнергетике это этап, предшествующий его доставке ( передача , распределение и т. Д.) Конечным пользователям или хранению (с использованием, например, метода гидроаккумуляции ).

Электричество не доступно в природе в свободном доступе, поэтому его необходимо «производить» (то есть преобразовывать другие формы энергии в электричество). Производство осуществляется на электростанциях (также называемых «электростанциями»). Электроэнергия чаще всего вырабатывается на электростанции электромеханическими генераторами , в основном приводимыми в действие тепловыми двигателями, работающими на сгорании или делении ядер, но также и другими способами, такими как кинетическая энергия текущей воды и ветра. Другие источники энергии включают солнечную фотоэлектрическую и геотермальную энергию .

История

Прошлые затраты на производство возобновляемой энергии значительно снизились, при этом 62% от общего объема производства возобновляемой энергии, добавленного в 2020 году, имеют более низкие затраты, чем самый дешевый новый вариант ископаемого топлива.
Сниженная стоимость: с все более широким распространением возобновляемых источников энергии, затраты на возобновляемые источники энергии снизились, особенно на энергию, вырабатываемую солнечными панелями.
Нормированная стоимость энергии (LCOE) - это мера средней чистой текущей стоимости производства электроэнергии для электростанции в течение ее срока службы.
Динамо-машины и двигатель установлены в компании Edison General Electric, Нью-Йорк, 1895 г.

Фундаментальные принципы производства электроэнергии были открыты в 1820-х - начале 1830-х годов британским ученым Майклом Фарадеем . Его метод, который используется до сих пор, заключается в том, что электричество генерируется движением проволочной петли или диска Фарадея между полюсами магнита . Центральные электростанции стали экономически практичными с развитием передачи энергии переменного тока (AC) с использованием силовых трансформаторов для передачи энергии высокого напряжения с низкими потерями.

Коммерческое производство электроэнергии началось в 1873 году, когда динамо-машина была соединена с гидравлической турбиной. Механическое производство электроэнергии положило начало Второй промышленной революции и сделало возможным несколько изобретений с использованием электричества, основными участниками которых стали Томас Альва Эдисон и Никола Тесла . Раньше единственным способом производства электричества были химические реакции или использование аккумуляторных элементов, а единственным практическим применением электричества был телеграф .

Производство электроэнергии на центральных электростанциях началось в 1882 году, когда паровой двигатель, приводящий в движение динамо-машину на станции Перл-Стрит, произвел постоянный ток, который питал общественное освещение на Перл-Стрит , Нью-Йорк . Новая технология была быстро принята во многих городах по всему миру, которые приспособили свои газовые уличные фонари к использованию электроэнергии. Вскоре электрическое освещение будет использоваться в общественных зданиях, на предприятиях и для питания общественного транспорта, такого как трамваи и поезда.

Первые электростанции использовали гидроэнергию или уголь. Сегодня используются различные источники энергии, такие как уголь , атомная энергия , природный газ , гидроэлектроэнергия , ветер и нефть , а также солнечная энергия , приливная энергия и геотермальные источники.

Способы генерации

Мировое производство электроэнергии по источникам в 2018 году. Общая выработка составила 26,7 ПВтч .

  Уголь (38%)
  Природный газ (23%)
  Гидро (16%)
  Ядерная (10%)
  Ветер (5%)
  Масло (3%)
  Солнечная (2%)
  Биотопливо (2%)
  Другое (1%)

Существует несколько фундаментальных методов преобразования других форм энергии в электрическую. Генерация в масштабе коммунального хозяйства достигается вращающимися электрическими генераторами или фотоэлектрическими системами. Небольшая часть электроэнергии, распределяемой коммунальными предприятиями, обеспечивается батареями. Другие формы производства электроэнергии, используемые в нишевых приложениях, включают трибоэлектрический эффект , пьезоэлектрический эффект , термоэлектрический эффект и бетавольтаику .

Генераторы

Ветровые турбины обычно обеспечивают производство электроэнергии в сочетании с другими методами производства энергии.

Электрические генераторы преобразуют кинетическую энергию в электричество. Это наиболее часто используемая форма для выработки электроэнергии, основанная на законе Фарадея . Это можно увидеть экспериментально, вращая магнит в замкнутых контурах из проводящего материала (например, медной проволоки). Почти все коммерческое производство электроэнергии производится с использованием электромагнитной индукции, при которой механическая энергия заставляет генератор вращаться.

Электрохимия

Большие плотины, такие как плотина Гувера в США, могут обеспечивать большое количество гидроэлектроэнергии . Установленная мощность составляет 2,07 ГВт .

Электрохимия - это прямое преобразование химической энергии в электричество, как в батарее . Электрохимическое производство электроэнергии важно в портативных и мобильных приложениях. В настоящее время большая часть электрохимической энергии поступает от батарей. Первичные элементы , такие как обычные угольно-цинковые батареи , непосредственно действуют как источники энергии, но вторичные элементы (то есть перезаряжаемые батареи) используются для систем хранения , а не для систем первичной генерации. Открытые электрохимические системы, известные как топливные элементы , могут использоваться для извлечения энергии из природного или синтезированного топлива. Осмотическая сила возможна в местах слияния соленой и пресной воды.

Фотоэлектрический эффект

Фотогальванический эффект является преобразование света в электрическую энергию, как и в солнечных элементах . Фотоэлектрические панели преобразуют солнечный свет напрямую в электричество постоянного тока. При необходимости силовые инверторы могут преобразовать это в электричество переменного тока. Несмотря на то, что солнечный свет предоставляется бесплатно и в избытке, производство электроэнергии на солнечной энергии обычно обходится дороже, чем производство крупномасштабной электроэнергии, производимой механическим способом, из-за стоимости панелей. Снижается стоимость кремниевых солнечных элементов с низким КПД, и теперь коммерчески доступны многопереходные элементы с эффективностью преобразования, близкой к 30%. В экспериментальных системах продемонстрирована эффективность более 40%. До недавнего времени фотоэлектрические элементы чаще всего использовались на удаленных объектах, где нет доступа к коммерческой электросети, или в качестве дополнительного источника электроэнергии для отдельных домов и предприятий. Последние достижения в области повышения эффективности производства и фотоэлектрических технологий в сочетании с субсидиями, обусловленными экологическими проблемами, резко ускорили развертывание солнечных панелей. Установленная мощность растет на 40% в год за счет увеличения в Германии, Японии, США, Китае и Индии.

Экономика

Выбор режимов производства электроэнергии и их экономическая жизнеспособность варьируются в зависимости от спроса и региона. Экономика во всем мире значительно различается, что приводит к широко распространенным ценам продажи жилья, например, цена в Исландии составляет 5,54 цента за кВтч, а в некоторых островных государствах - 40 центов за кВтч. У гидроэлектростанций , атомных электростанций , тепловых электростанций и возобновляемых источников есть свои плюсы и минусы, и выбор основан на местных потребностях в электроэнергии и колебаниях спроса. Все электрические сети имеют разные нагрузки, но дневной минимум - это базовая нагрузка, часто обеспечиваемая установками, которые работают в непрерывном режиме. Базовую нагрузку могут обеспечивать атомные, угольные, нефтяные, газовые и некоторые гидроэлектростанции. Если затраты на строительство скважин для природного газа ниже 10 долларов за МВтч, производство электроэнергии из природного газа будет дешевле, чем выработка энергии путем сжигания угля.

Тепловая энергия может быть экономичной в районах с высокой промышленной плотностью, поскольку высокий спрос не может быть удовлетворен за счет местных возобновляемых источников. Влияние локального загрязнения также сводится к минимуму, поскольку предприятия обычно расположены вдали от жилых районов. Эти установки также могут выдерживать колебания нагрузки и потребления за счет добавления дополнительных единиц или временного уменьшения производства некоторых единиц. Атомные электростанции могут производить огромное количество энергии из одного блока. Однако ядерные катастрофы вызвали озабоченность по поводу безопасности ядерной энергетики, а капитальные затраты на атомные станции очень высоки. Гидроэлектростанции расположены в районах, где потенциальная энергия падающей воды может быть использована для движения турбин и выработки электроэнергии. Это не может быть экономически жизнеспособным единственным источником производства, где способность удерживать поток воды ограничена, а нагрузка слишком сильно меняется в течение годового производственного цикла.

Благодаря достижениям в технологиях и массовому производству возобновляемые источники, отличные от гидроэлектроэнергии (солнечная энергия, энергия ветра, приливная энергия и т. Д.), Испытали снижение себестоимости производства, и теперь энергия во многих случаях становится такой же дорогой или менее дорогой, чем ископаемое топливо. Многие правительства по всему миру предоставляют субсидии, чтобы компенсировать более высокую стоимость любого нового производства электроэнергии и сделать установку систем возобновляемой энергии экономически целесообразной.

Генераторное оборудование

Большой генератор со снятым ротором

Электрические генераторы были известны в простых формах с момента открытия электромагнитной индукции в 1830-х годах. В общем, некоторые формы первичного двигателя, такие как двигатель или турбины, описанные выше, приводят вращающееся магнитное поле мимо неподвижных катушек проволоки, тем самым превращая механическую энергию в электричество. Единственное производство электроэнергии в промышленных масштабах, в котором не используется генератор, - это солнечные фотоэлектрические системы.

Турбины

Большие плотины, такие как плотина Три ущелья в Китае, могут обеспечивать большое количество гидроэлектроэнергии ; он имеет мощность 22,5 ГВт .

Почти вся коммерческая электроэнергия на Земле вырабатывается турбиной , приводимой в действие ветром, водой, паром или горящим газом. Турбина приводит в действие генератор, преобразуя его механическую энергию в электрическую за счет электромагнитной индукции. Существует множество различных методов выработки механической энергии, включая тепловые двигатели , гидроэнергетику, ветровую и приливную энергию. Большая часть выработки электроэнергии приводится в движение тепловыми двигателями . Сжигание ископаемого топлива поставляет большую часть энергии этим двигателям, значительная часть - за счет ядерного деления, а часть - из возобновляемых источников . Современная паровая турбина (изобретенная сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году) в настоящее время вырабатывает около 80% электроэнергии в мире, используя различные источники тепла. Типы турбин включают:

Хотя турбины наиболее распространены в коммерческом производстве электроэнергии, меньшие генераторы могут работать от бензиновых или дизельных двигателей . Они могут использоваться в качестве резервного источника энергии или в качестве основного источника энергии в изолированных деревнях.

Производство

Общее валовое производство электроэнергии в мире в 2016 году составило 25 082 ТВтч. Источниками электроэнергии были уголь и торф 38,3%, природный газ 23,1%, гидроэлектроэнергия 16,6%, атомная энергия 10,4%, нефть 3,7%, солнечная / ветровая / геотермальная / геотермальная / приливная / прочие 5,6%, биомасса и отходы 2,3%.

Источник электроэнергии (в целом за 2008 год)
- Каменный уголь Масло Природный
газ
Ядерная Возобновляемые источники энергии Другие Общий
Средняя электрическая мощность (ТВтч / год) 8 263 1,111 4 301 2 731 3 288 568 20 261
Средняя электрическая мощность (ГВт) 942,6 126,7 490,7 311,6 375,1 64,8 2311,4
Пропорция 41% 5% 21% 13% 16% 3% 100%
источник данных IEA / OECD
Энергетический поток электростанции

Общее количество энергии, потребленной на всех электростанциях для производства электроэнергии, составило 51 158 тераватт-часов (4 398 768 килотонн нефтяного эквивалента ), что составило 36% от общего количества первичных источников энергии (ОППЭ) в 2008 году. Производство электроэнергии (брутто) составило 20 185 ТВтч ( 1 735 579 тыс. Тнэ), КПД составил 39%, а остальная часть 61% была произведена за счет тепла. Небольшая часть, 1688 ТВтч (145 141 тыс. Тнэ), или около 3% от общего количества потребляемого тепла, была использована на теплоэлектростанциях, производящих когенерацию. Собственное потребление электроэнергии и потери при передаче электроэнергии составили 3 369 ТВтч (289 681 тыс. Тнэ). Объем подачи к конечному потребителю был 16809 ТВт (1445285 т н.э.) , который составил 33% от общего количества потребляемой энергии на электростанциях и тепловых электростанций и когенерации (ТЭЦ) растений.

Исторические итоги производства электроэнергии

Обратите внимание, что вертикальные оси этих двух диаграмм имеют разный масштаб.

Годовая мировая чистая выработка электроэнергии.svg Годовая чистая выработка электроэнергии из возобновляемых источников энергии в мире.svg

Производство по странам

Соединенные Штаты долгое время были крупнейшим производителем и потребителем электроэнергии, с мировой долей в 2005 году не менее 25%, за ними следуют Китай , Япония, Россия и Индия. В 2011 году Китай обогнал Соединенные Штаты и стал крупнейшим производителем электроэнергии.

Список стран с источниками электроэнергии 2005 г.

Источником данных о ценностях (произведенной электроэнергии) является МЭА / ОЭСР. Перечисленные страны входят в двадцатку лучших по численности населения или в первую двадцатку по ВВП (ППС) и Саудовская Аравия согласно CIA World Factbook 2009.

Структура электроэнергии по ресурсам (ТВтч в 2008 г.)
Электроэнергетический сектор страны Ископаемое топливо Ядерная классифицировать Возобновляемый Био
другое *
общий классифицировать
Каменный уголь Масло Газ промежуточная
сумма
классифицировать Гидро Geo
Thermal
Солнечные
фотоэлектрические *
Солнечная
Тепловая
Ветер Прилив промежуточная
сумма
классифицировать
Всего в мире 8 263 1,111 4 301 13 675 - 2 731 - 3 288 65 12 0,9 219 0,5 3,584 - 271 20 261 -
Пропорция 41% 5,5% 21% 67% - 13% - 16% 0,3% 0,06% 0,004% 1,1% 0,003% 18% - 1,3% 100% -
Китай 2 733 23 31 год 2 788 2 68 8 585 - 0,2 - 13 - 598 1 2,4 3 457 2
Индия 569 34 82 685 5 15 12 114 - 0,02 - 14 - 128,02 6 2.0 830 5
Соединенные Штаты Америки 2133 58 1,011 3,101 1 838 1 282 17 1.6 0,88 56 - 357 4 73 4369 1
Индонезия 61 43 год 25 130 19 - - 12 8,3 - - - - 20 17 - 149 20
Бразилия 13 18 29 59 23 14 13 370 - - - 0,6 - 370 3 20 463 9
Пакистан 0,1 32 30 62 22 1.6 16 28 год - - - - - 28 год 14 - 92 24
Бангладеш 0,6 1,7 31 год 33 27 - - 1.5 - - - - - 1.5 29 - 35 год 27
Нигерия - 3.1 12 15 28 год - - 5,7 - - - - - 5,7 25 - 21 год 28 год
Россия 197 16 495 708 4 163 4 167 0,5 - - 0,01 - 167 5 2,5 1,040 4
Япония 288 139 283 711 3 258 3 83 2,8 2.3 - 2,6 - 91 7 22 1,082 3
Мексика 21 год 49 131 202 13 9,8 14 39 7.1 0,01 - 0,3 - 47 12 0,8 259 14
Филиппины 16 4.9 20 40 26 - - 9,8 11 0,001 - 0,1 - 21 год 16 - 61 26
Вьетнам 15 1.6 30 47 25 - - 26 - - - - - 26 15 - 73 25
Эфиопия - 0,5 - 0,5 29 - - 3.3 0,01 - - - - 3.3 28 год - 3.8 30
Египет - 26 90 115 20 - - 15 - - - 0,9 - 16 20 - 131 22
Германия 291 9.2 88 388 6 148 6 27 0,02 4.4 - 41 год - 72 9 29 637 7
Турция 58 7,5 99 164 16 - - 33 0,16 - - 0,85 - 34 13 0,22 198 19
ДР Конго - 0,02 0,03 0,05 30 - - 7,5 - - - - - 7,5 22 - 7,5 29
Иран 0,4 36 173 209 11 - - 5.0 - - - 0,20 - 5.2 26 - 215 17
Таиланд 32 1,7 102 135 18 - - 7.1 0,002 0,003 - - - 7.1 23 4.8 147 21 год
Франция 27 5,8 22 55 24 439 2 68 - 0,04 - 5,7 0,51 75 8 5.9 575 8
Соединенное Королевство 127 6.1 177 310 7 52 10 9,3 - 0,02 - 7.1 - 16 18 11 389 11
Италия 49 31 год 173 253 9 - - 47 5.5 0,2 - 4.9 - 58 11 8,6 319 12
Южная Корея 192 15 81 год 288 8 151 5 5,6 - 0,3 - 0,4 - 6.3 24 0,7 446 10
Испания 50 18 122 190 14 59 9 26 - 2,6 0,02 32 - 61 10 4.3 314 13
Канада 112 9,8 41 год 162 17 94 7 383 - 0,03 - 3.8 0,03 386 2 8,5 651 6
Саудовская Аравия - 116 88 204 12 - - - - - - - - - - - 204 18
Тайвань 125 14 46 186 15 41 год 11 7,8 - 0,004 - 0,6 - 8,4 21 год 3.5 238 16
Австралия 198 2,8 39 239 10 - - 12 - 0,2 0,004 3.9 - 16 19 2.2 257 15
Нидерланды 27 2.1 63 92 21 год 4.2 15 0,1 - 0,04 - 4.3 - 4.4 27 6,8 108 23
Страна Каменный уголь Масло Газ промежуточная
сумма
классифицировать Ядерная классифицировать Гидро Geo
Thermal
Солнечные
фотоэлектрические
Солнечная
Тепловая
Ветер Прилив промежуточная
сумма
классифицировать Био
другое
Общий классифицировать

Солнечные фотоэлектрические системы * - это фотоэлектрические биологические другие * = 198 ТВт-ч (биомасса) + 69 ТВт-ч (отходы) + 4 ТВт-ч (прочее)

Проблемы окружающей среды

Различия между странами, производящими электроэнергию, влияют на заботу об окружающей среде. Во Франции только 10% электроэнергии вырабатывается из ископаемого топлива, в США - 70%, а в Китае - 80%. Чистота электричества зависит от его источника. Большинство ученых согласны с тем, что выбросы загрязняющих веществ и парниковых газов от производства электроэнергии на основе ископаемого топлива составляют значительную часть мировых выбросов парниковых газов; в Соединенных Штатах на производство электроэнергии приходится почти 40% выбросов, что является крупнейшим из всех источников. За ними следуют транспортные выбросы, на которые приходится около одной трети производства углекислого газа в США . В Соединенных Штатах на сжигание ископаемого топлива для производства электроэнергии приходится 65% всех выбросов диоксида серы , основного компонента кислотных дождей. Производство электроэнергии является четвертым по величине комбинированным источником NOx , окиси углерода и твердых частиц в США. В июле 2011 года парламент Великобритании внес предложение о том, что «уровни выбросов (углерода) от ядерной энергетики были примерно в три раза ниже на киловатт-час, чем у солнечной энергии, в четыре раза ниже, чем у чистого угля, и в 36 раз ниже, чем у обычного угля».

Выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла по источникам электроэнергии
Технология Описание 50-й процентиль
(г CO2 / кВтч эл. )
Гидроэлектростанции резервуар 4
Ветер береговой 12
Ядерная различные типы реакторов поколения II 16
Биомасса различный 18
Солнечная тепловая энергия параболический желоб 22
Геотермальный горячий сухой камень 45
Солнечные фотоэлектрические Поликристаллический кремний 46
Природный газ различные турбины комбинированного цикла без промывки 469
Каменный уголь различные типы генераторов без очистки 1001

Смотрите также

использованная литература