Энерговектор
О насНовостиНаука и технологииСтратегияАрхив

Путеводные нити энергетики

21.10.2014, По материалам телепередачи «Очевидное-невероятно», вышедшей в эфир 28 января 2012 г.
Академическая наука о развитии электроэнергетики в мире и нашей стране

Конечно, энергетика – это стратегическая, безо всякой натяжки, область человеческой деятельности. Развитие цивилизации всегда сопровождалось освоением новых видов энергии. Видимо, первый этап такого освоения – изобретение костра десятки тысяч лет назад. С тех пор нам становится доступно всё больше и больше энергии. Мускульная сила человека находится на уровне 100 Вт, при этом в распоряжении каждого из нас сегодня имеется мощность порядка 20–30 кВт. Так что возможности человечества очень сильно расширились.

Пётр Капица в своё время показал статистическую зависимость степени индустриального развития страны от количества энергии, которое в ней доступно. Чем больше вы производите энергии, тем выше производительный уровень. Это значит, если вы хотите попасть в золотой миллиард, создав правильную и динамичную экономику, вы должны опережающими темпами развивать энергетику.

Я хотел бы напомнить парадоксальное определение энергетики, которое дали в своё время два академика: Лев Ландау и Михаил Старикович. Оно звучит так: «Энергетика – это физика плюс экономика». То есть физика даёт нам ответ на вопросы: можно ли ту или иную технологию применить в энергетике, не будут ли нарушены законы природы? А экономика отвечает на вопрос, нужно ли это делать. Всё развитие энергетики идёт путём балансировки этих двух факторов.

Ресурсы

Откуда берётся энергия? Около 80% всей полезной для человека энергии сегодня получается путём сжигания органического топлива. Это в первую очередь газ, нефть, уголь. При этом всё большее значение приобретает возобновляемая энергия – солнечная, гидро-, ветровая, – не связанная с процессами горения. Важно понимать, что все эти источники – это результат термоядерных реакций, которые идут на Солнце. И мы можем получать эту энергию благодаря тому, что есть температурный градиент между горячим Солнцем и холодной Землёй.

Также ещё есть атомная энергия – энергия распада ядер. Она не связана с реакциями на Солнце и имеет космогонический характер. Потому что все химические элементы тяжелее железа и никеля в природе получились не в процессе ядерного синтеза, а в результате Большого Взрыва. Сегодня в мировом энергобалансе атомная энергетика по выработке занимает около 20%, а по мощности – порядка 10%. Запасов ядерного горючего на планете хватит на десятки тысяч лет. Таким образом, разговоры о том, что человечество погибнет от нехватки энергии, не имеют оснований. Энергетического голода на планете быть не должно.

Вопрос о том, насколько нам хватит углеводородного топлива, не очень корректный, поскольку ответ зависит от цены. Если говорить о дешёвых нефти, газе и угле (то есть по нынешним ценам), оценки приблизительно выглядят так: нефти хватит где-то на 80 лет, газа – на 50 лет, а угля – лет на 200. А Солнце будет светить ещё пять миллиардов лет.

Перспективы

Физика дала принципиальный ответ на вопрос, как будут удовлетворяться энергетические потребности человечества в обозримом будущем (десятки тысяч лет) – по линии управляемого термоядерного синтеза. Перед современными наукой и техникой стоит задача реализовать управляемую термоядерную реакцию на земле. Я убеждён, что к концу текущего столетия уже будет построен работающий термоядерный реактор.

Кроме того, будут развиваться возобновляемые источники энергии (ВИЭ). У нас сегодня в России они дают примерно 1% электроэнергии (не считая гидростанций). В мировом масштабе на возобновляемую энергию приходится свыше 4% выработки. Что делается на Западе? Например, в Европе поставлена цель довести долю возобновляемой энергии (ветровой, солнечной) до 20–30%.

В случае солнечной энергии на квадратный метр земли приходит мощность до 1 кВт, но это происходит только днём. И поскольку потребление энергии идёт круглосуточно, её надо накапливать. Особенность электрической энергии в том, что она плохо поддаётся сохранению (это, пожалуй, её единственный недостаток). Например, у нас в стране есть гидроаккумулирующая станция под Загорском, существуют хорошие литий-ионные аккумуляторы, но всё равно в больших масштабах электроэнергию накопить не удаётся. То, что вы произвели, вы должны сразу же потратить. Для этого требуются очень хорошие линии электропередачи. Надо сказать, что наши энергетики построили замечательную Единую энергетическую систему России, которая была сделана с пятикратным запасом пропускной способности. В ней колоссальные резервы. Вообще, вся отечественная энергетика обладает очень высокой надёжностью и приносит много пользы.

Когда началась перестройка, энергетика фактически дотировала перестраивающуюся экономику. Правительство приняло политическое решение зафиксировать тарифы, в результате чего энергетика тратила свой внутренний запас прочности на подпитку остальных отраслей.

На сегодня в Единой энергосистеме России 2,5 млн км линий электропередачи. Она позволяет перебрасывать между регионами огромные мощности. Это немаловажно для будущего широкого применения ВИЭ. Вообще, если взять всю мировую энергетику, окажется, что наша страна выглядит на общем фоне очень прилично.

Постоянный ток

В Советском Союзе были серьёзные разработки по линиям передачи постоянного тока со сверхвысоким напряжением. В «Федеральной сетевой компании ЕЭС», которую сегодня возглавляет очень креативный человек Олег Бударгин, разрабатывается связка, чтобы лучше объединить энергосистемы Европейской части России и Сибири. Там нужно делать вставки постоянного тока, которые сегодня получаются дешёвыми и надёжными, поскольку основаны на отработанной полупроводниковой технике.

Вообще, такие вставки хороши для сопряжения больших энергетических систем. Например, вы хотите продавать электроэнергию из Северо-Западного региона за границу, в Финляндию. Но у финнов своя энергетическая система. И хотя в ней заложены те же напряжения и та же частота 50 Гц, свойства систем и качество электроэнергии в них разные. Прямое подключение по переменному току вызовет их неустойчивую работу.

Кстати, в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге работает академик Игорь Грехов, который предложил новые очень мощные силовые преобразователи (см. «Энерговектор», № 6/2014, с. 10. – Прим. ред.). Вообще, управление качеством электроэнергии – это большая задача, которую нужно поднимать в российской электроэнергетике.

Эффективность

На протяжении 20 лет энергетика в России фактически дотировала перестраивающуюся экономику. Ничего даром не делается, и сегодня мы исчерпываем резервы – наши генерирующие мощности выработали свой парковый ресурс приблизительно на 50%. В советские времена мы ежегодно вводили в эксплуатацию по 10–11 гигаватт новых мощностей, а старые выводили из эксплуатации. Агрегаты служили в среднем по 20–30 лет. Линии электропередачи тоже существенно выработали свой ресурс – на величину до 40–60%.

В любом случае, нам нужно вводить новые мощности. Можно, конечно, просто заменять имеющееся оборудование на аналогичное новое, но лучше переходить с паросиловых установок на парогазовые. Их ещё в 1950-х годах придумал академик Сергей Христианович. Идея проста: газовая турбина с КПД 32–36% дополнена теплообменником, где создаётся пар, и паросиловой установкой с КПД около 32%. Общий коэффициент полезного действия таких систем сегодня доходит до 62%. Немаловажно и то, что они работают на природном газе – благородном топливе с экологической точки зрения.

Сегодня таких парогазовых установок у нас мало – считанные проценты. Поэтому Академия наук предлагает развернуть в стране производство парогазовых систем, чтобы заменять выбывающие мощности, резко снижая удельный расход горючего. Кроме того, у нас есть авиационная промышленность. Она начала возрождаться, но очень многим заводам не хватает заказов. Между тем в стране около 60 тыс. малоэффективных котельных, в которых почти всё тепло вылетает в трубу. В них нужно устанавливать газовые турбины, создавая парогазовые установки. И если ещё добавить твёрдооксидные топливные элементы, общий КПД можно будет поднять до 80%. Это практически достижимая цель. Это направление, предложенное Академией наук, почему-то в правительстве лежит под сукном.

Умные сети

Теперь о передаче электроэнергии. Линии менять надо, и лучше делать это с использованием новых технологий, которые называют умными сетями. Такие сети становятся активным элементом энергетической системы. Они включают новое диагностическое оборудование и современные устройства контроля и управления. Благодаря им устойчивость системы возрастает кратно, потери снижаются в разы.

При построении умных сетей нужно решить множество очень важных и интересных научных проблем, касающихся управления, сбора и обработки данных, надёжности, оптимальности всей конструкции. Если они будут решены, генераторы, потребители и сети смогут работать согласованно.



 

Редакция

Главный редактор: Иван Рогожкин
Консультант: Людмила Зимина
Корректор: Анатолий Печейкин
Дизайнер: Мария Хомутская
Руководитель проекта:
Максим Родионов

Контакты

Россия, 101000,
г. Москва, а/я 230.
Тел.: +7 (916) 422-95-19
Web-site: www.enegrovector.com
E-mail: oilru.com
facebook.com/energovector


©2011-2017. Ежемесячная газета «Энерговектор». Все права защищены.