§ 20. Энергетика. Производство электроэнергии

Вспоминаем. Какие виды природных энергетических ресурсов вам известны? Какие полезные ископаемые относятся к топливно-энергетическим и почему они так называются?

Узнаем. Что такое энергетика и какие виды деятельности она включает.

О том, как производится тепловая и электрическая энергия и какие типы электростанций существуют.

Об особенностях размещения тепловой, атомной и гидроэнергетики. Какое воздействие оказывает энергетика на окружающую среду.

Размышляем. В чём различие между традиционной и альтернативной энергетикой и чем обусловлена необходимость развития альтернативной энергетики?

20.1. Энергетика. Состав энергетики. Из курса физики 7 класса вы уже знаете, что такое энергия и какие бывают виды энергии. Любая хозяйственная деятельность человека основана на использовании двух основных видов энергии: тепловой и электрической. Производством этих видов энергии для нужд общества и занимается энергетика. Энергетика – это совокупность видов хозяйственной деятельности, которые обеспечивают производство, преобразование и доставку потребителю разных видов энергии.

Производство тепловой и электрической энергии основано на использовании различных видов природной энергии, которые называются первичными источниками энергии. Это может быть энергия Солнца, ветра, движущейся воды, энергия химических связей различных органических (углеводородных) соединений: угля, нефти, природного газа, древесины. Задача энергетики состоит в том, чтобы преобразовать энергию, сосредоточенную в природных источниках, в необходимую обществу тепловую (горячая вода, пар) и электрическую энергию.

В составе современной энергетики обычно выделяют две основные отрасли (рис. 1).

Первая – это топливная промышленность, которая занимается производством нефтепродуктов, кокса, ядерных материалов. Продукция топливной промышленности (бензин, дизельное топливо, керосин) используется в дальнейшем в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, а также в теплоэнергетике (топочный мазут), атомной энергетике (ядерные материалы) и металлургии (кокс).

Основные виды минерального топлива, которые используются современным обществом, - уголь, нефть и природный газ. Уголь и природный газ могут использоваться в качестве топлива сразу после добычи без специальной переработки. Нефть же непосредственно в качестве топлива не используется. На нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) из  нее сначала получают бензин, дизельное топливо, керосин, топочный мазут, которые уже используются в качестве топлива. Точно также из урановых руд сначала получают ядерные материалы, которые в дальнейшем могут использоваться в качестве топлива на атомных электростанциях.

Вторая отрасль в составе энергетики – производство и распределение электроэнергии, пара и горячей воды. Она объединяет различные  типы предприятий, которые на основе использования продукции топливной промышленности, а также различных природных источников энергии производят и распределяют тепловую (горячую воду, пар) и электрическую энергию.

20.2.  Производство электроэнергии. Типы электростанций. Электрическая энергия является наиболее распространённым видом энергии, которую современное общество использует как в быту, так и в хозяйственной деятельности. Наиболее существенным недостатком электрической энергии как продукции является невозможность производить ее в больших объёмах про запас. Вся произведенная электрическая энергия должна быть потреблена. Всего в мире в 2016 г. было произведено около 25 000 000 ГВт/ч электроэнергии. Ведущие страны – производители электроэнергии: США, Китай, Индия (таб. 1).

В настоящее время существуют разные технологии получения электрической энергии. Тип предприятий (электростанций), на которых ее производят, зависит от того, какой источник энергии используется для получения электрической энергии. Самыми распространенными в мире являются тепловые электростанции (ТЭС, рис. 2), на которых вырабатывается более 60 % всей электроэнергии. При сжигании минерального топлива (уголь, природный газ, мазут) в топке котла выделяется тепловая энергия. Под ее воздействием находящаяся в котле вода нагревается и превращается в пар. Пар под большим давлением подается на лопасти турбины, соединенной с генератором. В генераторах вырабатывается (генерируется) электрический ток.

На гидравлических электростанциях (ГЭС, рис. 3) для производства электрической энергии используется энергия движущейся воды. Она приводит в движение лопасти турбины, соединенной с генератором, в котором вырабатывается электрический ток. Большинство ГЭС строится на крупных реках. Для создания перепада уровней воды, с целью придания воде большей скорости, на реках возводятся высокие плотины. Помимо ГЭС плотинного типа существуют также приливные электростанции. На ГЭС в  современном  мире  вырабатывается  около 16 % всей электроэнергии.

Третьим основным типом электростанций являются атомные электростанции (АЭС, рис. 4). На АЭС используется специальное ядерное топливо, которое получают на основе обогащённого урана. В ядерных реакторах АЭС происходит управляемая реакция распада радиоактивных элементов с выделением большого количества тепловой энергии. Выделяемая тепловая энергия используется для превращения воды в пар. Дальше пар подаётся на лопасти турбины, соединённой с генератором, в котором генерируется электрическая энергия. АЭС, наряду с ГЭС, также относятся к числу наиболее мощных электростанций. Удельный вес АЭС в производстве электроэнергии в мире примерно такой же, как и у ГЭС – около 16 % (рис. 5).

20.2.  География тепловой, атомной и гидроэнергетики. Технологические             особенности производства  электроэнергии       на    разных    типах  электростанций  оказывают  решающее  влияние   на   их   размещение.  Наиболее распространённым типом электростанций являются ТЭС (рис. 6).

Тепловая энергетика получила развитие в большинстве стран мира. Поскольку минеральное топливо может легко транспортироваться на значительные расстояния, то ТЭС характеризуются повсеместностью размещения. Тепловые станции бывают разной мощности: от небольших, рассчитанных на обеспечение теплом или

электроэнергией отдельных населенных пунктов или предприятий, до очень мощных. Наиболее крупные ТЭС построены в районах добычи угля (Китай, США, Россия, Индия, Польша), а также в основных районах потребления энергии (в крупных населенных пунктах, промышленных центрах). Самая крупная ТЭС в мире Tuoketuo находится в Китае. Её установленная мощность составляет 6600 МВт. Ежегодно станция производит 33,317 млрд кВт/ч электрической энергии.

Атомная энергетика является высокотехнологичным производством. Только страны с высоким уровнем развития науки и технологий способны осуществлять обогащение урана (производить ядерное топливо), строить ядерные реакторы, утилизировать отходы ядерной энергетики. Поэтому большинство АЭС построено в странах с высоким уровнем экономического развития: США, Япония, Франция. Значительное развитие получила атомная энергетика в России и Китае. АЭС возводятся в наиболее освоенных районах этих стран, которые потребляют большие объёмы электроэнергии. В ряде стран (Франция, Бельгия) на АЭС производится большая часть электроэнергии. АЭС являются мощными электростанциями, некоторые из них входят в число крупнейших электростанций мира. Самая крупная АЭС в мире – Касивадзаки-Карива (Япония) – имеет установленную мощность 8212 МВт.

Размещение гидроэнергетики определяется наличием гидроэнергетических ресурсов. Наибольшим гидроэнергетическим потенциалом обладают горные и крупные полноводные реки. Поэтому крупнейшие ГЭС построены в тех странах, которые обладают такими условиями: Китай, Россия, США, Бразилия, Уругвай, Норвегия. В некоторых из этих стран (Норвегия, Бразилия) на ГЭС производится большая часть электроэнергии.

ГЭС относятся к числу самых мощных электростанций мира. Крупнейшая  ГЭС мира – «Санься» (Три ущелья) – расположена в живописном районе трех ущелий на третьей по длине в мире реке Янцзы. Её мощность – 22500 МВт, среднегодовая выработка – 98,1 млрд Квт/ч (рис. 7).

20.2.       Воздействие энергетики на окружающую среду. Производство тепловой и электрической энергии на ТЭС, а также электрической энергии на ГЭС и АЭС принято называть традиционной энергетикой. Эти типы электростанций существуют относительно давно и производят основную часть потребляемой современным обществом энергии. Каждый из них оказывает определенное воздействие на окружающую среду.

Тепловую энергетику считают одним из основных загрязнителей атмосферного воздуха. Для выработки электроэнергии на ТЭС сжигается минеральное топливо – уголь, природный газ, мазут. В результате сжигания образуются различные газы (прежде всего СО₂), которые, попадая в атмосферу, загрязняют ее. Большинство этих газов относятся к парниковым газам. Они задерживают тепловое излучение у поверхности Земли и способствуют изменению климата нашей планеты. Наиболее экологичным из всех видов топлива является природный газ. (Как вы думаете почему?) Поэтому во многих странах мира ТЭС переводятся с использования угля и мазута на природный газ.

Главной опасностью развития атомной энергетики для окружающей среды является ее радиационное загрязнение. Оно может происходить в случае аварий на АЭС, а также при утилизации и захоронении отходов атомной энергетики. Результатом воздействия радиации на живые организмы является возникновение различных заболеваний и гибель. Поэтому основной задачей в развитии атомной энергетики является обеспечение безопасности функционирования АЭС. Из-за ряда аварий, произошедших на АЭС в последние десятилетия, многие страны мира отказываются от развития атомной энергетики.

Воздействие гидроэнергетики на окружающую среду связано со строительством плотин и созданием перед плотинами крупных водохранилищ. При этом происходит затопление больших территорий, что приводит к уничтожению существующих там растений и животных. Из хозяйственного оборота выбывают значительные площади земель. (К каким еще изменениям окружающей среды, на ваш взгляд, приводит строительство крупных ГЭС?)

В настоящее время, с целью уменьшения отрицательного воздействия традиционной энергетики на окружающую среду, развивается альтернативная энергетика. Она основана на использовании для производства электроэнергии возобновляемых природных источников энергии – энергии Солнца (гелиоэнергетика, рис. 8) и энергии ветра (ветроэнергетика, рис. 9).

Наиболее значительных масштабов альтернативная энергетика  достигла           в

высокоразвитых    в     экономическом     отношении странах. Например, в Германии ветроэнергетика в 2018 г. произвела столько же электроэнергии, сколько ТЭС, работающие на угле.

Обобщим и запомним. Энергетика – это совокупность видов деятельности, которые обеспечивают производство (генерирование), преобразование (трансформацию) и доставку разных видов энергии потребителю. Основу энергетики составляют топливная промышленность и электроэнергетика, производящие тепловую и электрическую энергию. Большая часть электрической энергии в настоящее время производится на ТЭС, ГЭС и АЭС. Для каждого типа электростанций характерны свои особенности размещения и воздействия на окружающую среду.

Проверим себя: 1. Какие природные источники энергии вам известны? 2. Что такое энергетика и какие виды хозяйственной деятельности она включает? 3. На каких типах электростанций производится основная часть тепловой и электрической энергии? 4. Каковы особенности производства электроэнергии на ТЭС, ГЭС и АЭС? 5. Какое влияние оказывают особенности производства на размещение тепловой, атомной и гидроэнергетики? 6. Чем обусловлено воздействие традиционной энергетики на окружающую среду и каковы его последствия? 7. В каких странах и почему получила развитие альтернативная энергетика?

8. Почему развитие энергетики оказывает определяющее влияние на развитие всех остальных видов хозяйственной деятельности людей?

От теории к практике. В Беларуси практически вся электроэнергия в настоящее время вырабатывается на тепловых электростанциях. Учитывая особенности географического положения Беларуси, характер ее природных условий и ресурсов, предложите варианты наиболее перспективных для республики направлений развития альтернативной энергетики.

Обсудим: Считается, что в связи с переходом автомобильного транспорта к использованию электродвигателей вместо двигателей внутреннего сгорания, спрос на нефть и продукты нефтепереработки в мире существенно сократится. Согласны ли вы с таким мнением? Обоснуйте свой вариант ответа.

Для любознательных: В настоящее время в большинстве стран мира производство основной части тепловой энергии для разных целей осуществляется на тепловых электростанциях. Также тепловую энергию можно получать путём преобразования в нее электрической энергии. Однако в целом ряде стран, преимущественно в сельской местности, для бытовых целей (приготовление пищи, обогрев помещений) широко используются разнообразные виды так называемого бытового топлива. В Беларуси это, например, дрова, торфобрикеты. Пользуясь разными источниками информации, определите, что используется в качестве бытового топлива в странах Северной Африки; в Китае; Индии; Австралии.