Производство электроэнергии

Эта статья нуждается в обновлении . Обновите эту статью, чтобы отразить недавние события или новую доступную информацию. ( Март 2021 г. )

Турбогенератор

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 его доставке ( передача , распределение и т. Д.) Конечным пользователям или хранилищу (например, с использованием метода гидроаккумуляции ).

Электричество недоступно 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, а также 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 распространением возобновляемых источников энергии затраты на возобновляемые источники энергии снизились, особенно на энергию, вырабатываемую солнечными панелями. ^[1]
Нормированная стоимость энергии (LCOE) - это мера средней чистой приведенной 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 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 ]

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 ]

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 внутри замкнутых контуров 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 ]

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. ^[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. Последние достижения в области эффективности производства и фотоэлектрических технологий в сочетании с субсидиями, обусловленными экологическими проблемами, резко ускорили внедрение 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 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. ^[6]

Тепловая энергияможет быть экономичным 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 технологии 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 ]

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 ]

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 производства электроэнергии приводится в движение тепловыми двигателями . Сжигание ископаемого топлива обеспечивает большую часть энергии для этих двигателей, причем значительная часть приходится на ядерное деление, а часть - из возобновляемых источников . Современная паровая турбина (изобретена сэром Чарльзом Парсонсом.в 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 приводятся в действие непосредственно газами, образующимися 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 за счет движения воды - падающей воды, приливов и отливов или тепловых течений океана (см. Преобразование тепловой энергии океана ). В настоящее время гидроэлектростанции производят около 16% мировой электроэнергии.
• Мельница была очень рано ветровая турбина . В 2018 году около 5% мировой электроэнергии было произведено с помощью ветра.

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 [ править ]

Этот раздел необходимо обновить . Обновите эту статью, чтобы отразить недавние события или новую доступную информацию. ( Март 2015 г. )

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

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, 1 688 ТВт-ч (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. ^[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 ]

Этот раздел необходимо обновить . Обновите эту статью, чтобы отразить недавние события или новую доступную информацию. ( Декабрь 2019 г. )

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

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, на долю которых приходится около одной трети производства углекислого газа в США . ^[14]В Соединенных Штатах на сжигание ископаемого топлива для производства 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 ]

Ссылки [ править ]