Энциклопедия Техники

125 подписчиков

Свежие комментарии

  • Николай Галыгин
    Словесный понос. Россия будет строить свою станцию и ядерный буксир,а марсоходы с дронами это просто детские игрушки ...Сша будут разбира...
  • Sergiy Che
    Аффтор по моему запутался сам в своих разглагольствованиях - а всё потому, что не знает ни бельмеса в этнологии, но л...Как финно-угорска...
  • Александр Фишкин
    Всё враньё. Попробуйте отучить меня от мяса :)Был ли тиранозавр...

Если поднять эффективность наших тепловых электростанций, можно получить энергии в разы больше всей зеленой энергетики

Роль теплоэнергетики России в общем энергобалансе

В России примерно 60 % всей электроэнергии производится на тепловых станциях -ТЭС. В 2020 году - 652 миллиарда киловатт-часов. Суммарная мощность ТЭС- 164 миллиона киловатт, что, между прочим, в 26 раз больше мощности Саяно-Шушенской ГЭС. А установленная мощность всех электростанций Российской федерации -245 млн. киловатт.

Такая же доля тепловой энергетики и в целом в мире, например, в 2018 году - 64% выработки электроэнергии. Так что Россия не выпадает из мировой тенденции.

Общая выработка электроэнергии в России 2020 году 1,047 триллиона киловатт часов. Доля атомных электростанций - 20,6%, доля возобновляемых источников - 20,1 %. Любителей зеленой энергетики последняя цифра не должна обольщать. В основном это гидроэлектростанции, а доля ветровой и солнечной энергии - менее 0,5%. Правда, в процентном отношении ветряки и солнечные батареи растут очень и очень быстро - 2020 год по отношению к 2019 - в 4,3 раза и 1,54 раза соответственно.

Среднее КПД тепловых электростанций в 2010 году было 36,6%. Долго пытался найти среднее КПД электростанций в 2020 году - нигде нет, тайна сия велика есть. Поэтому пришлось вычислять косвенно, через расход удельного топлива на 1 кВт-час, которое так тщательно не скрывают.

Минэнерго с гордостью заявило, что в 2019 году достигнут минимум расхода удельного топлива на отпуск 1 кВт-часа - 299,9 грамм (или 310 грамм в зависимости от того, как производилось усреднение по видам топлива). Это соответствует средневзвешенному КПД 39,6 -41,0 %. (условное топливо - топливо дающее 7000 Ккал, или 29,3 МДж/к. Это примерно соответствует теплотворной способности каменного угля, теплотворная способность нефтепродуктов повыше - 43-46 МДж/кг, природного газа - примерно 49 МДж/кг. Для простоты примем, что средний КПД 40%

А теперь посмотрим на структуру теплоэнергетики.

Согласно отчету РАО ЕЭС за 2020 год, доля различных ТЭС следующая

ПСУ-77,92%, ГТУ - 5,92%, ПГУ - 16,06% (смотрите диаграмму)

ПСУ - паросиловые установки, ГТУ - газотурбинные установки, ПГУ - комбинированные парогазовые установки

Если поднять эффективность наших тепловых электростанций, можно получить энергии в разы больше всей зеленой энергетики

Паросиловые установки (ПСУ), работающие на газе, в основном имеют КПД 38-42%, на угле -33-37%.

Газотурбинные установки (ГТУ) в основном имеют КПД ниже - в среднем порядка 30%

Наконец, парогазовые установки (ПГУ)- наиболее современные, их КПД в РФ в основном 52-53%. Доля ПГУ в общем энергобалансе растет и сейчас превышает 16%, и именно за их счет за последние 10 лет средний КПД ТЭС увеличился более чем на 3%. В 2020, согласно отчету РАО ЕЭС, примерно 40 энергоблоков введены, и столько же выведены из эксплуатации.

Например, на Воронежской ТЭС долгое время работали еще немецкие трофейные турбины с КПД 25%, недавно их заменили на современные ПГУ.

Что даст повышение КПД тепловых станций на 10% ? И какому количеству зеленой энергетики это эквивалентно?

Лучшие современные ПГУ достигли уровня 60%. В одной из наиболее энергоэффективных стран, Германии средний КПД достиг уровня 50%. Причем в 1990 году он составлял 36,6% - примерно как в России 2010 года. Вот они, в чистом виде "святые 90-е", двадцать потерянных лет для развития

Какие преимущества мы получим при увеличении КПД ТЭС с 40% хотя бы до 50%? Без дополнительного потребления топлива производство э/э возрастет на 25%, т.е. от уровня 2020 года на 163 миллиарда киловатт -часов. сколько нужно солнечных батарей, чтобы получить такой прирост энергопотребления? Начнем с того, что есть такая штука - солнечная постоянная. За пределами атмосфере на орбите Земли на каждый кв.метр изливается около 1,4 кВт энергии. С учетом смены дня и ночи на поверхность земли в среднем по году падает ровно 1/4 от этого количества, т.е 350 Вт (сечение шара в 4 раза меньше его поверхности). С учетом того, что у нас солнечной энергии падает немного меньше, чем в среднем по земле - температура на 10-15 градусов ниже среднеземной, облачности и запыленности, озонового слоя и т.д. на каждый квадратный метр падает 150 -200 ватт. При КПД солнечных батарей 20% получается 30-40 Ватт с квадратного метра, или 260 -350 кВт-часов в год. Делим 163 миллиарда киловатт часов на 300, получаем 543 миллиона квадратных метра, или 543 квадратных километра. Не слабо, да?

Есть такое понятие - коэффициент использования установленной мощности. В теплоэнергетике он составляет 48%. Во-первых, потребление энергии меняется в течение дня и в течение года, поэтому нужен резерв мощности. К тому же нужен резерв для замещения мощностей во время плановых профилактических ремонтов. А для солнечных батарей эта величина всего 15% и связано это не с недостатком потребления, а с нехваткой энергии при коротком дне и облачности (выработка энергии в облачный день снижается на порядок). Для ветростанций эта величина побольше -27%, потому что ветер дует и ночью. Зависимость выработки электроэнергии от погоды - огромный минус зеленой энергетики.

Годовой расход топлива на производство электроэнергии в Российской Федерации - 210 миллионов тонн. Если производство энергии останется постоянным, при увеличении КПД с 40 до 50% необходимое количество топлива снизится на 42 миллиона тонн.

Рекорды теплоэнергетики

Как отмечено выше, КПД лучших парогазовых установок достигло 60%. Развитие этого направления продолжается, лидерами его являются немецкий "Сименс" и японская "Мицубиши". По-видимому, скоро появятся ПГУ с КПД 62-63% и выше. Данное направление является высокотехнологичным, никак не уступая "зеленым" технологиям. ПГУ состоит из двух частей. Первая - высокотемпературная газотурбинная установка. Температура газа на входе достигает 1500 градусов по Цельсию (1700-1800 К). Окружная скорость на периферии лопаток турбины соизмерима со скоростью звука. Центробежные силы в тысячи и десятки тысяч раз больше силы веса. Современные материалы такие параметры не выдерживают, поэтому лопатки делают охлаждаемыми, с сайтами внутри. В результате КПД турбинной части лучших установок достиг 40%. Выхлопные газы турбины имеют еще достаточно высокую температуру, порядка 500 по Цельсию, и это тепло используется для нагрева воды и получения пара высокого давления, при за счет паровой турбины добирается еще 15-20% КПД.

В России авиадвигатели, не уступают западным аналогам и даже превосходят их.

Обратите внимание: Цифровая диктатура в Китае. У миллионов людей слишком мало шансов иметь возможность жить нормальной жизнью.

Но там мощности в несколько мегаватт, а для большой энергетики - желательно не меньше 100 МВт, в этом направлении мы отстаем. Отчасти в этом "спасибо" украинцам, из-за которых ведущее предприятие отрасли - Рыбинский "Сатурн" - вынужден был заниматься импортозамещением украинских газотурбинных морских двигателей.

Пока наши ПГУ уступают западным образцам, уровень КПД в основном 52-53%. Но все равно их надо больше выпускать, не ожидая повышения характеристик, чтобы замещать выбывающие мощности, проработавшие более 50-60 лет и имеющие КПД порядка 30%, которые соответственно "жрут" много топлива.

Газотурбинная установка автора с параметрами, как у парогазовых установок.

Эта установка описана в статьях, опубликованным в 2009 году в журнале "Газотурбинные технологии" и в 2010 году в журнале "Теплоэнергетика". Есть положительные отзывы двух ведущих научных институтов - директора Всероссийского Теплотехнического Института Г.Г. Ольховского и Энергетического Института им. Кржижановского РАН.

От чиновников разного уровня были получены лишь отписки.

На самом деле ее КПД меньше, чем у ПГУ, но незначительно, на 2-3%.

Это чисто газотурбинная установка сложной, полузамкнутой схемы, но без пароводяного контура (схема на рисунке)

Если поднять эффективность наших тепловых электростанций, можно получить энергии в разы больше всей зеленой энергетики Схема высокоэффективной ГТУ

1-компрессор замкнутого контура, 2 -регенеративный теплообменник замкнутого контура, 3-камера сгорания, 4 - турбина замкнутого контура, 5 -водяной охладитель, 6 и 7-компрессор и турбина разомкнутого контура, 8 - электрогенератор, 9 -регенератор тепла разомкнутого контура.

Данное техническое решение преодолевает дилемму, в рамках которой газотурбинные энергетические установки развивались в 70-90 е годы прошлого века. Как известно, есть цикл Карно, чем ближе к нему реальная установка, тем КПД выше. К сожалению, цикл Карно не реализуем. Интересующимся рекомендую мою статью "Популярно о сложном, интересно о скучном. Цикл Карно". Но есть еще так называемый эквивалентный цикл Карно который графически отличается тем, что вертикальные кривые -адиабатное сжатие и расширение - заменяются эквидистантными кривыми, которыми могут являться изобары, т.е. линии постоянного давления - отражающие нагрев и охлаждение в регенераторе тепла. Правая кривая на правом графике - охлаждение горячих продуктов сгорания после турбины, левая - нагрев в теплообменнике воздуха после компрессора продуктами сгорания после турбины

Если поднять эффективность наших тепловых электростанций, можно получить энергии в разы больше всей зеленой энергетики

Давно известно, что ГТУ с малой степенью повышения давления (например, 4) и высокой степенью регенерации тепла (95%) теоретически дают КПД 60 % даже при не очень высокой температуре перед турбиной 1400К и существующих показателях КПД компрессоров и турбин. Но коэффициент теплоотдачи от воздуха невысокий, особенно при низком давлении. При повышении давления за компрессором коэффициент теплоотдачи возрастает, а низкий коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания, находящихся при атмосферном давлении, можно компенсировать увеличением поверхности теплообмена за счет оребрения. Но при увеличении давления уменьшается располагаемая разность температур между выходами компрессора и турбины и термодинамический выигрыш от регенерации. Эту дилемму так и не удалось разрешить, и на нее, грубо говоря, плюнули. Отрасль пошла по пути форсирования температур газа перед турбиной до 1500-1700 К, КПД установок открытой схемы достигли 40%.

Я предложил техническое решение преодолеть упомянутую дилемму за счет создания в установке частично замкнутого контура с небольшим отношением давлений, но большими абсолютными значениями (например, 5 и 25 атмосфер). За счет повышение давления резко повышается коэффициент теплопередачи, за счет чего в регенераторе замкнутого контура становится реальным эффективность теплообменника 90-95%. Чтобы уменьшить негативное влияние разомкнутой части контура, в камере сгорания соотношение природного газа и воздуха близко к стехиометрии, температура в замкнутой части повышается за счет подмешивания к циркулирующем расходу продуктов сгорания порядка 2000 К.

Почему зеленая энергетика целесобразна только в связке с тепловой или атомной, а также с составе единой энергосистемы

Зеленая энергетика уязвима полной зависимостью от погоды. Например, в Москве недавно был побит климатический рекорд - за весь декабрь солнце выглянуло из-за туч только на 4 часа (!!!) И что с этим делать. ведь многие хотят иметь свою солнечную панель не из-за абстрактных соображений уменьшения "углеродного следа", а просто не хотят зависеть от энергосистемы", да еще надеются сэкономить, думая, что таким образом не будут обогащать олигархов. На деле зависимость будет еще больше. Вот представьте коттедж с собственной солнечной электростанцией. Солнца уже неделю нет, аккумуляторы на нуле, А тут выглянуло солнце... Жена кричит: Вася, скорей бери шуруповерт, пока солнце светит, ты мне полку обещал привесить, а я стиралку запущу. Абсурдная картина! Другое дело в составе большой электросети. В европейской части штиль, а на Урале и в Западной Сибири ветры бушуют, в центральном районе солнце, в Западной Сибири нет, на Дальнем Востоке опять же солнце. В общем, в большой стране всегда где-то безоблачная погода и где то дует сильный ветер.

Но есть еще один момент, характерный для России как северной страны. У нас основная часть топлива тратится тупо на отопление. В электроэнергетике 210 миллионов тонн в год, а на отопительный сезон вместе с затратами на прокачку воды -до 400-450 миллионов тонн! В мороз на отопление дома в 100 квадратов нужно примерно 10 кВт тепла. Как это обеспечить солнечными батареями при шестичасовом дне??? Вот представьте дом 100 квадратов, освещается солнцем, степень черноты, скажем,50% и температура без отопления -30 ?. С учетом того, что КПД солнечных батарей 20%, а не 50, нужно площадь СБ раза в два- три больше, чем площадь дома.

В заключение - разоблачение некоторых мифов о накопителях энергии

Этих мифов много, для начала разоблачу один. Один из обсуждаемых видов - груз, опускаемый в шахту. Пусть глубина шахты -100 метров, вес груза -100 тонн. Сколько энергии запасется при подъеме груза. Силу веса - 100 тысяч килограмм -силы, или 980 тысяч ньютонов умножаем на 100 метров. Получаем 98 миллионов джоулей. Вроде огромная величина. Но 1 кг бензина - это 46 мегаджоулей. Так что 100 тонный груз запасает энергию, как в 2,1 кг бензина. А если в киловатт-часах (киловатт-час это 3,6 МДж), это будет 27 киловатт-часов. Для одного дома достаточно, но для небольшого поселка - почти ничто. Так что критичней воспринимайте прожекты, слушайте специалистов, вроде меня.

Еще по теме здесь: Новости науки и техники.

Источник: Если поднять эффективность наших тепловых электростанций, можно получить энергии в разы больше всей зеленой энергетики.

 

Ссылка на первоисточник

Картина дня

наверх