Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из компании Electricity Generation )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема электроэнергетической системы, системы генерации красным цветом

Производство электроэнергии - это процесс производства электроэнергии из источников первичной энергии . Для коммунальных предприятий в электроэнергетике это этап, предшествующий доставке ( передача , распределение и т. Д.) Конечным пользователям или хранению (например, с использованием 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 ядерном делении, но также и другими способами, такими как кинетическая энергия текущей воды и ветра. Другие источники энергии включают солнечную фотоэлектрическую и геотермальную энергию .

История [ править ]

Стоимость. В связи со все более широким внедрением возобновляемых источников энергии затраты на возобновляемые источники энергии снизились, особенно на энергию, вырабатываемую солнечными панелями. [1]
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 электроэнергии переменного тока (AC) с использованием силовых трансформаторов для передачи энергии высокого напряжения с низкими потерями.

Коммерческое производство электроэнергии началась в 1873 г. [ править ] с муфтой динамо к гидравлической турбине. 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 , питавший 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. [2] 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 [ править ]

Производство электроэнергии в мире по источникам в 2018 году. Общая выработка составила 26,7 ПВтч . [3]

  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 [ править ]

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

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

Электрохимия [ править ]

Большие плотины, такие как плотина Гувера , могут обеспечивать большое количество гидроэлектроэнергии ; он имеет мощность 2,07 ГВт .

Электрохимия - это прямое преобразование химической энергии в электричество, как в батарее . Электрохимическое производство электроэнергии важно для портативных и мобильных приложений. В настоящее время большая часть электрохимической энергии поступает от батарей. [4] Первичные элементы , такие как обычные цинково-угольные батареи , непосредственно действуют как источники энергии, но вторичные элементы (то есть перезаряжаемые батареи) используются для систем хранения , а не систем первичного производства. Открытые электрохимические системы, известные как топливные элементы , могут использоваться для извлечения энергии из природного или синтезированного топлива. Осмотическая сила возможность в местах слияния соленой и пресной воды.

Фотоэлектрический эффект [ править ]

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 изобилии, 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%. [5]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. Недавние достижения в области 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 [ править ]

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. Гидроэлектростанции , атомные электростанции , тепловые электростанции и возобновляемые источникиимеют свои плюсы и минусы, и выбор основан на требованиях к местной мощности и колебаниях спроса. Все электрические сети имеют различные нагрузки, но дневной минимум - это базовая нагрузка, часто обеспечиваемая установками, которые работают непрерывно. 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 дешевле, чем выработка энергии путем сжигания угля. [6]

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 заводы также могут выдерживать колебания нагрузки и потребления за счет добавления дополнительных единиц или временного снижения производства некоторых единиц. Атомные электростанции могут производить огромное количество энергии из одного блока. Однако бедствия в Япониивызывают озабоченность по поводу безопасности атомной 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, помимо 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. [7] Многие правительства по всему миру предоставляют субсидии, чтобы компенсировать более высокую стоимость любого нового производства электроэнергии и сделать установку систем возобновляемой энергии экономически целесообразной.

Генерация оборудования [ править ]

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. [8] Единственное производство электроэнергии в промышленных масштабах, в котором не используются генераторы, - это солнечные фотоэлектрические системы.

Турбины [ править ]

Крупные 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 движение 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 (изобретена сэром Чарльзом Парсонсомв 1884 г.) в настоящее время вырабатывает около 80% электроэнергии в мире, используя различные источники тепла. Типы турбин включают:

  • Пар
    • Воду кипятят из угля, сжигаемого на ТЭЦ . Таким образом вырабатывается около 41% всей электроэнергии. [9]
    • Тепло ядерного деления, создаваемое в ядерном реакторе, создает пар. Таким образом вырабатывается менее 15% электроэнергии.
    • Возобновляемая энергия. Пар вырабатывается биомассой , солнечной тепловой энергией или геотермальной энергией .
  • Природный газ: турбины работают непосредственно от газов, образующихся при сгорании. Комбинированный цикл приводится в действие паром и природным газом. Они вырабатывают электроэнергию за счет сжигания природного газа в газовой турбине и используют остаточное тепло для производства пара. Не менее 20% мировой электроэнергии вырабатывается за счет природного газа.
  • Вода Энергия улавливается водяной турбиной в результате движения воды - падающей воды, приливов и отливов или тепловых течений океана (см. Преобразование тепловой энергии океана ). В настоящее время гидроэлектростанции обеспечивают примерно 16% мировой электроэнергии.
  • Мельница была очень рано ветровая турбина . В восходящей солнечной башне искусственно создается ветер. До 2010 года менее 2% мировой электроэнергии производилось за счет ветра.

Хотя турбины наиболее распространены в коммерческой выработке электроэнергии, меньшие генераторы могут работать от бензиновых или дизельных двигателей . Они могут использоваться для резервной генерации или в качестве основного источника энергии в изолированных деревнях.

Производство [ править ]

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%. [10]

источник данных IEA / OECD
Энергетический поток электростанции

Общая энергия, потребленная на всех электростанциях для производства электроэнергии, составила 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 введенного 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. [11]

Исторические итоги производства электроэнергии [ править ]

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

[ необходима цитата ] [ необходима цитата ]

Производство по странам [ править ]

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. [ править ]

Источником данных о ценностях (произведенной электроэнергии) является МЭА / ОЭСР. [12] Включенные в список страны входят в двадцатку лучших по численности населения или в двадцатку лучших по ВВП (ППС) и Саудовская Аравия по данным CIA World Factbook 2009. [13]

Солнечные фотоэлектрические системы * - это фотоэлектрические биологические другие * = 198 ТВтч (биомасса) + 69 ТВтч (отходы) + 4 ТВтч (прочие)

Проблемы окружающей среды [ править ]

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%. [12] 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, составляющие около одной трети производства углекислого газа в США . [14]В Соединенных Штатах на сжигание ископаемого топлива для выработки электроэнергии приходится 65% всех выбросов диоксида серы , основного компонента кислотных дождей. [15] Производство электроэнергии является четвертым по величине комбинированным источником NOx , окиси углерода и твердых частиц в США. [16] 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. ". [17]

См. Также [ править ]

  • Планирование расширения генерации
  • Когенерация : использование теплового двигателя или электростанции для выработки электроэнергии и полезного тепла одновременно.
  • Дизельный генератор
  • Распределенная генерация
  • Передача электроэнергии
  • Двигатель-генератор
  • Электростанция
  • Мировое потребление энергии : общая энергия, используемая всей человеческой цивилизацией.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Чробак, Ула (автор); Ходош, Сара (инфографика) (28 января 2021 г.). «Солнечная энергия стала дешевой. Так почему же мы не используем ее больше?» . Популярная наука . Архивировано 29 января 2021 года.● Графика Ходоша получена из данных из «Нормированной стоимости энергии Lazard, версия 14.0» (PDF) . Lazard.com . Лазард. 19 октября 2020 г. Архивировано (PDF) из оригинала 28 января 2021 г.
  2. ^ "Станция Перл-Стрит - Вики по истории инженерии и технологий" . ethw.org . Проверено 14 августа 2016 .
  3. ^ «Производство электроэнергии по источникам» . Международное энергетическое агентство .
  4. ^ Самая большая в мире система аккумуляторных батарей, установленная на Аляске (пресс-релиз, 24 сентября 2003 г.), Министерство энергетики США. «13 670 никель-кадмиевых аккумуляторных элементов для выработки до 40 мегаватт энергии в течение примерно 7 минут или 27 мегаватт энергии в течение 15 минут».
  5. ^ New World Record Достигнутый в солнечных элементах технологии Архивированных 2007-04-23 в Wayback Machine (прессрелиз, 2006-12-05), Департамент энергетики США.
  6. ^ Смит, Карл (22 марта 2013 г.). «Будет ли природный газ достаточно дешевым, чтобы заменить уголь и снизить выбросы углерода в США» . Forbes . Проверено 20 июня 2015 года .
  7. ^ «График дня: возобновляемые источники энергии становятся все дешевле, чем уголь» . Всемирный экономический форум . Проверено 26 августа 2020 .
  8. ^ Sedlazeck, K .; Richter, C .; Strack, S .; Lindholm, S .; Pipkin, J .; Fu, F .; Humphries, B .; Монтгомери, Л. (1 мая 2009 г.). «Типовые испытания турбогенератора мощностью 2000 МВт». 2009 Международная конференция по электрическим машинам и приводам IEEE . С. 465–470. DOI : 10.1109 / IEMDC.2009.5075247 . ISBN 978-1-4244-4251-5. S2CID  9118902 - через IEEE Xplore.
  9. ^ «Уголь и электричество» . Всемирная угольная ассоциация . 2015-04-29 . Проверено 14 августа 2016 .
  10. ^ Международное энергетическое агентство, « Статистика электричества », последнее посещение - 8 декабря 2018 г.
  11. Международное энергетическое агентство, « Энергетический баланс мира на 2008 год », 2011 г.
  12. ^ a b Полученные статистические данные и балансы МЭА 2011-5-8
  13. ^ CIA World Factbook 2009 извлекаться 2011-5-8
  14. ^ Боренштейн, Сет (2007-06-03). «Виновник выбросов углерода? Уголь» . Сиэтл Таймс . Архивировано из оригинала на 2011-04-24.
  15. ^ «Диоксид серы» . Агентство по охране окружающей среды США.
  16. ^ "AirData" . Агентство по охране окружающей среды США.
  17. ^ "Раннее движение 2061" . Парламент Великобритании . Дата обращения 15 мая 2015 .
  18. ^ http://srren.ipcc-wg3.de/report/IPCC_SRREN_Annex_II.pdf см. стр. 10 Moomaw, W., P. Burgherr, G. Heath, M. Lenzen, J. Nyboer, A. Verbruggen, 2011: Приложение II : Методология. В специальном отчете МГЭИК о возобновляемых источниках энергии и смягчении последствий изменения климата.