Мотивационное обращение:
Когда-то у нас на даче довольно часто выключали электричество – подстанция садоводства была маломощной, старой и изношенной. Одним из самых неприятных последствий этого было прекращение работы холодильника. Случилось так, что мне бесплатно достался довольно мощный источник бесперебойного питания (UPS) сервера, списанный в одной из IT-компаний. Я подключил его к холодильнику, надеясь, что этот источник поможет сохранить продукты при следующем отключении электричества. Но эксперимент оказался неудачным – холодильник проработал от UPSлишь несколько минут. Я стал читать о том, что еще можно сделать, чтобы каждое отключение электричества не воспринималось как стихийное бедствие. И увидел, что эта задача имеет множество решений, в том числе и очень интересных, а актуальность такой задачи гораздо выше, чем сохранение продуктов в одном отдельно взятом холодильнике. Предлагаю вам вместе со мной изучить, зачем нужно запасание электрической энергии и какими способами его можно осуществить. Попутно вы, возможно, узнаете кое-что новое для себя о том, как вообще устроена энергетическая система, которая поставляет в наши дома электричество.
Раздел 1. Виды энергии, непосредственно потребляемой человеком — электрическая, тепловая, химическая. Преимущества и особенности электрической энергии.
Согласно определению https://ru.wikipedia.org/wiki/Энергия«Эне́ргия (др.-греч. ἐνέργεια — действие, деятельность, сила, мощь) — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие».Впрочем, это определение носит скорее философский характер, что не удивительно – в современной науке и технологических процессах понятие энергии настолько сложно и многогранно, что во всех аспектах этого термина невозможно разобраться одному человеку, даже гениальному, и тем более невозможно создать краткое, общедоступное и имеющее практический смысл определение понятия «энергия».
Единицей измерения энергии служит единица измерения механической работы – 1 джоуль это энергия, необходимая для перемещения тела с прикладыванием силы 1 ньютон на расстояние 1 метр. Поэтому иногда кратко говорят, что энергия – это способность совершать работу (что, собственно, перекликается с бытовым понятием «энергичности»). Именно механическая энергия была одной из первых, которую человек сознательно использовал для улучшения качества своей жизни (первой, наверное, все же была тепловая энергия огня, т.е. по сути химическая энергия, но тогда еще о химической энергии не знали). Вначале это была механическая энергия тягловых животных (лошади, вола, слона, ездовых собак) и даже людей-рабов. Потом человек научился приручать силу ветра и водных потоков. Ну а приручение силы испаряющейся при нагревании воды фактически послужило началом бурного технического прогресса, продолжающегося до наших дней…
Непосредственное использование механической энергии животных и тем более людей практически полностью ушло в прошлое. Сейчас человек потребляет энергию в других видах. В каких именно – легко понять, вспомнив, какие именно энергетические магистральные подводы подходят к большинству современных квартир (или просто посмотрев на квитанции оплаты жилья):
- электрический кабель;
- труба с горячей водой и трубы центрального отопления;
- газопровод.
Труба с холодной водой передает вещество, а не энергию. Остальные коммуникации (интернет, телефон, теле- и радиотрансляция) служат для передачи информации – хотя, разумеется, также при помощи очень малого количества энергии.
Соответственно, виды потребляемой энергии следующие:
- Электрическая энергия – для наших целей будем считать, что это энергия электрических зарядов, находящихся в электрическом поле (энергию собственно электромагнитного поля рассматривать не будем).
- Тепловая энергия – энергия тел, имеющих температуру выше окружающей их среды и передающих энергию окружающей среде путем ее нагрева.
- Химическая энергия – энергия, содержащаяся в молекулах химических веществ и высвобождающаяся при соединении с другими веществами, обычно в виде тепла, но бывает и в виде электричества, света или движения. Часто химическая энергия потребляется в виде топлива, которое при использовании сгорает, т.е. соединяется с содержащимся в воздухе кислородом. При сгорании топлива выделяется тепло, которое используется либо само по себе, либо совершает механическую работу расширяющимся при нагревании газом (например, в двигателе внутреннего сгорания или турбине самолета). Аккумулятор или одноразовая батарейка тоже работают благодаря химической энергии, высвобождающейся (или накапливающейся) в химических реакциях между электродами и электролитом.
Главным достоинством электрической энергии является ее универсальность – она может использоваться практически для любых целей. Более того, для множества целей может использоваться только электрическая энергия и никакая другая. Свечное освещение романтично, но электрическое ярче, удобнее и безопаснее – недаром в быту часто говорят «отключили свет» вместо «отключили электричество». И сложно представить компьютер или телевизор, работающий на бензине. Еще одно достоинство электроэнергии – высокая экологичность.
Тем не менее электромобили, мягко говоря, еще не заполонили дороги – даже несмотря на то, что электродвигатель легче в обслуживании, чем двигатель внутреннего сгорания, а тяговые характеристики электропривода при современной управляющей электронике даже лучше. Отметим, что речь не идет о гибридных автомобилях, где аккумулятор является промежуточным звеном между бензиновым двигателем и электромотором – там в полной мере используются преимущества как топлива, так и электричества, вопрос только в цене. В то же время электротранспорт, «привязанный» к проводам или контактным рельсам – троллейбусы, трамваи, метро, электропоезда – давно активно используется и развивается. Почему так происходит?
Дело в том, что электрическая энергия практически не подлежит хранению сама по себе (обычные конденсаторы не в счет, т.к. могут запасти очень мало энергии). Все применяемые способы накопления электрической энергии для дальнейшего ее использования, кроме совершенствования упомянутых конденсаторов, основаны на переводе ее в другие виды энергии. Например, в химическую энергию аккумуляторов электромобилей. Но энергетическая емкость даже современных аккумуляторов намного меньше, чем у бака с бензином или дизтопливом такой же массы, что приводит к недопустимо малому пробегу электромобилей даже с учетом меньшего КПД бензинового или дизельного двигателя по сравнению с электромотором. Зарядка аккумуляторов происходит очень долго, электромобиль может зарядиться за ночь, но быстро заправиться «полным баком» во время пути вряд ли удастся. Разрабатываемые сейчас суперконденсаторы, возможно, смогут успешно решить указанные проблемы, а также проблему возврата энергии при торможении автомобиля, с которой не очень хорошо справляются аккумуляторы из-за ограниченности тока заряда.
Примеры заданий для самоконтроля к разделу 1:
1.1 Приведите еще примеры непосредственной поставки потребителю химической энергии.
1.2 Приведите примеры использования в повседневной жизни химической энергии.
1.3 Приведите примеры использования в повседневной жизни электрической энергии.
1.4 Энергию в каком виде можно хранить достаточно долгое время и использовать по мере необходимости, а в каком виде — нельзя?
1.5 Сравните стоимость химической энергии бензина и электрической энергии, исходя из цены бензина 50 руб. за литр, теплотворной способности бензина 12 КВт*ч на литр, цены электричества 4 руб. за 1 КВт*ч.
1.6 Можно ли отапливать квартиру с помощью газовой плиты?
1.7 В чем проявляется экологичность применения электрической энергии?
Раздел 2. Способы получения электрической энергии. Традиционная и альтернативная энергетика.
Откуда берется электрическая энергия?
В малых масштабах, для автономного питания одного отдельно взятого устройства, используются химические источники тока – одноразовые батарейки или перезаряжаемые аккумуляторы. Именно такие источники электричества исторически были первыми (т.н. Вольтов столб). Диапазон размеров и мощностей таких источников велик, от часовой батарейки размером с пуговку до аккумулятора грузовика размером с полчемодана. Общее у всех них одно – выдаваемое напряжение. Один химический элемент выдает напряжение от 1 до 3 вольт, при последовательном соединении многих элементов – соответственно больше, но суммарное напряжение обычно не превышает нескольких десятков вольт. Для полноты картины можно упомянуть фонарики, приводимые в действие работающим от нажатий руки маленьким генератором – во времена лампочек накаливания это была скорее бесполезная игрушка или хороший тренажер для кисти, но с появлением светодиодных ламп такая конструкция стала опять актуальной. Бывают и гаджеты со встроенной солнечной батареей, хотя в них обычно предусмотрена также возможность зарядки от сети. Но, в общем, всё, кроме батареек и аккумуляторов – экзотика.
Если нужно полноценно обеспечить электроэнергией дом, поселок или предприятие, а возможности подключиться к внешней линии электропередач по каким-то причинам нет, применяют т.н. автономные источники электроснабжения. Их же применяют в тех случаях, когда объект подключен к внешней системе электроснабжения, но перебои с электричеством категорически недопустимы (например, в операционной) и при отключении электричества во внешней системе автоматически и максимально быстро включается автономный источник. Чаще всего в качестве автономного источника используются генераторы, приводимые в действие двигателем внутреннего сгорания (ДВС) на бензине, дизельном топливе или природном газе. Бензиновый генератор стоит примерно как средний смартфон и обладает достаточной мощностью для электроснабжения дома, но вряд ли можно встретить человека, пользующимся таким источником при возможности подключиться к стационарному электроснабжению. Причины — дороговизна получаемой энергии, особенно при низком ее потреблении, необходимость периодически подливать в бак топливо, постоянный сильный шум (генераторы с хорошей шумоизоляцией стоят существенно дороже), да и не очень высокий ресурс бесперебойной работы дешевых двигателей. Про экологичность можно даже и не упоминать.
Экологически сознательные и бережливые обладатели загородных домов в развитых странах все чаще устанавливают у себя солнечные батареи и (или) ветрогенераторы. Такие устройства стоят уже значительно дороже генераторов с ДВС, но их цена вследствие роста производства и освоения новых технологий неуклонно снижается, и при высокой стоимости электроэнергии, например, в Италии, вполне может окупиться за несколько лет. Никаких действий для эксплуатации не требуется, всё работает само и при этом не шумит. Все бы прекрасно, но ветер и солнце, увы, непостоянны. И чтобы в безветренную ночь работали хотя бы холодильник и лампочка в туалете, необходимо либо подключение к общей электрической сети по общим же тарифам, либо устройства для накапливания лишней энергии, полученной при сильном ветре и ярком солнце.
Основная часть потребляемой человечеством электроэнергии генерируется промышленным образом, на электростанциях. Самый распространенный тип электростанций – тепловые, где нагретый до высокой температуры и давления газ-теплоноситель (чаще всего – водяной пар) приводит в движение турбину, которая в свою очередь вращает генератор. Обычно тепловыми электростанциями называют те, для которых топливом служат природные горючие ископаемые – газ, уголь, сланец, нефтепродукты и т.д. (см. https://ru.wikipedia.org/wiki/Тепловая_электростанция). Фактически одним из видов тепловых электростанций является атомная электростанция (см. https://ru.wikipedia.org/wiki/Атомная_электростанция), хотя их выделяют в отдельный тип из-за сильной специфичности процесса получения тепла. Отличительной особенностью большинства таких станций является примерное постоянство генерируемой мощности из-за требований к постоянству температуры теплоносителя и соответственно режима работы нагревательного котла. На тепловых станциях в сезоны низкого энергопотребления могут быть отключены «ненужные» энергоблоки (комплекс из котла, турбин и генераторов), но невозможно гасить котел каждый вечер и запускать каждое утро. А мощность атомных станций вообще стараются держать на постоянном уровне, особенно после Чернобыльской катастрофы.
В местах, где текут быстрые и полноводные реки, строят гидроэлектростанции, см. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гидроэлектростанция. Они дают дешевую энергию и экологически более или менее безопасны, за исключением вредного влияния на пойменные экосистемы рек ниже плотины и возможного усиления сейсмичности горных районов. Для работы в составе единой энергосистемы важно еще одно преимущество ГЭС – возможность регулирования генерируемой мощности в достаточно широких пределах, как режимом работы отдельной водяной турбины, так и полным отключением ряда турбин, если турбин много. На включениеостановленнойтурбиныобычно требуется всего 1—2 минуты (см. https://studopedia.ru/1_90132_moshchnost-ges-i-virabotka-energii.html). Но далеко не все страны обладают природными условиями для строительства ГЭС.
В настоящее время тепловые, атомные и гидростанции обеспечивают более 90% мировой выработки электроэнергии (см. https://ru.wikipedia.org/wiki/Энергетика). Это т.н. традиционная энергетика. Активно, особенно в Европе и США, развивается т.н. нетрадиционная, или альтернативная энергетика, см. https://ru.wikipedia.org/wiki/Альтернативная_энергетика. В альтернативной энергетике используются исключительно возобновляемые источники энергии, и кроме того, она должна быть абсолютно экологически безвредной – поэтому крупные ГЭС к альтернативной энергетике не относятся. Самые распространенные типы электростанций в альтернативной энергетике – ветровые и солнечные, причем солнечные бывают двух видов: фотоэлектрические, со множеством солнечных батарей, и тепловые, в которых котел с теплоносителем нагревается от солнца с помощью системы подвижных зеркал. Более экзотические электростанции – приливные, волновые и геотермальные. Но из всех перечисленных электростанций лишь геотермальные обладают гарантированным постоянством производства энергии, мощность остальных сильно зависит от времени суток и погодных условий.
Ветровые и фотоэлектрические промышленные электростанции по сути отличаются от аналогичных автономных источников электроснабжения отдельных домов лишь масштабом. И одним из направлений альтернативной энергетики является распределенная энергетика, предусматривающая объединение в единую энергосистему даже генерирующих мощностей отдельных домохозяйств (см. https://ru.wikipedia.org/wiki/Распределённая_энергетика).
О перспективах альтернативной энергетики можно, например, прочитать по ссылке https://scientificrussia.ru/articles/energiya-vetra-i-solntsa-mozhet-obespechivat-do-80-potrebnostej-ssha-v-elektrichestve. Энергия ветра и солнца может обеспечивать до 80% потребностей США в электричестве, если организовать континентальную сеть передачи энергии или построить комплексы, которые накапливали бы энергию в объеме, соответствующем потребности нации в электричестве в течение 12 часов
Примеры заданий для самоконтроля к разделу 2:
2.1 Рассчитайте примерную стоимость электроэнергии, производимой бензиновым генератором, исходя из цены бензина 50 руб. за литр, теплотворной способности бензина 12 КВт*ч на литр, КПД генераторной установки в целом 20% (при номинальной нагрузке).
Раздел 3. Неравномерность потребления электроэнергии в масштабах от дома до региона. Проблема соответствия генерируемой/передаваемой и потребляемой мощности для промышленной генерации электроэнергии. Энергетические аварии.
Электрическая энергия производится и передается потребителям постоянно. Но сами потребители расходуют электроэнергию, когда хотят. Поэтому потребление электроэнергии происходит довольно неравномерно во времени. Существуют регулярные, более или менее предсказуемые колебания потребления электроэнергии – суточные, недельные и сезонные (по временам года с учетом праздников) графики нагрузок. Некоторое представление об этих графиках можно получить по ссылке https://poznayka.org/s78103t1.html. С учетом этих графиков планируют режимы работы электростанций – например, ремонтные и профилактические работы на тепловых станциях проводят обычно летом. Применяют и экономические меры, стимулирующие более равномерно потреблять электроэнергию. Простейшим примером такой меры является установка двухтарифного квартирного счетчика, в результате чего электроэнергия, потребленная ночью, оценивается дешевле. Для промышленных предприятий существуют гораздо более сложные схемы тарифного регулирования.
При определении максимально необходимой мощности электроснабжения используют также статистические данные, позволяющие оценить вероятность одновременного включения устройств, потребляющих электроэнергию. Если в одной отдельно взятой квартире вполне вероятно одновременное включение стиральной машины, утюга, микроволновки, электрического чайника и кондиционера, то одновременное включение всех таких приборов во всех квартирах большого дома является уже очень маловероятным событием, а в масштабах города и тем более крупного региона – событием с пренебрежимо малой вероятностью. Это учитывается т.н. коэффициентом одновременности – см., например, http://ru.electrical-installation.org/ruwiki/Оценка_максимальной_нагрузки_(кВА).
Таким образом можно рассчитать максимальную электрическую мощность, потребляемую некоторым регионом, и на основе этого расчета строить электростанции, обслуживающие этот регион. Здесь необходимо заметить, что при строительстве электростанций стараются учитывать не только условия для генерации энергии в данном месте, но и наличие рядом мощных потребителей энергии, потому что передача электроэнергии на большие расстояния всегда связана со значительными затратами на строительство и содержание линий электропередач и с потерями энергии при передаче. Например, строительство Волховской ГЭС и Братской ГЭС планировалось с учетом использования значительной части их энергии для работы алюминиевых заводов. Поэтому конкретная электростанция обычно обслуживает преимущественно «свой» экономический регион.
Региональные энергосистемы практически всегда объединены в единую энергетическую сеть масштаба государства или даже группы государств. Это позволяет в случае высокого потребления электроэнергии в каком-то регионе или проблем на региональной электростанции передавать электроэнергию из соседних регионов, т.е. использовать свободные электрические мощности соседних регионов в качестве энергетического резерва.
С учетом максимальной потребляемой электрической мощности строятся не только электростанции, но и все остальные компоненты системы энергоснабжения – линии электропередач (ЛЭП) и распределительные подстанции. И тут уже резервирование существует далеко не всегда. Если электроснабжение крупного города вряд ли остановится из-за аварии на одной городской подстанции, то в результате аварии на районной подстанции много домов могут остаться без света на несколько часов, а резервирование электроснабжения отдельного дома и тем более квартиры не предусматривается вообще.
И, как правило, именно ЛЭП и подстанции, а не электростанции, становятся «узким местом» при возникновении перебоев с электроснабжением. Примерное представление о возможных масштабах энергетических аварий можно получить из материалов, например, по ссылкам https://ru.wikipedia.org/wiki/Авария_в_энергосистеме, http://energosmi.ru/archives/16287, https://ria.ru/spravka/20121115/910896424.html. Множество таких аварий происходят по стандартной схеме. Сначала отключается одна подстанция, ЛЭП или (значительно реже) электростанция либо один ее энергоблок. Причиной отключения обычно служат всякого рода ЧП (пожар, обрыв проводов, ошибки электриков и т.д.), и гораздо реже – перерасход энергии по сравнению с максимально допустимым. Энергоснабжение обесточенного региона ложится на остальные, резервирующие системы. Но если какая-то из этих систем работает на пределе своих возможностей, то дополнительная нагрузка является для нее роковой, и она отключается тоже. Нагрузка на оставшиеся резервирующие системы возрастает еще больше, и так далее… Возникает т.н. «веерное отключение», которое может распространиться вплоть до крупных электростанций.
Собственно, причиной таких аварий является по сути неравномерность потребления энергии, вызванная как погодными и прочими естественными условиями, так и перераспределением нагрузки на резервирующие энергосистемы из-за непредвиденных ЧП. Опыт аварий заставляет энергетиков повышать максимальную передаваемую и генерируемую мощность, но это приводит к существенным расходам, оплачиваемым в конце концов из кармана потребителей энергии, а также может порождать дополнительные экологические проблемы.
Таким образом, повышение равномерности потребления электроэнергии является крайне актуальной задачей не только для альтернативной, но и для традиционной энергетики. А основной способ обеспечения равномерности энергопотребления – накопление энергии во время ее перепроизводства и расходование накопленной энергии в «часы пик».
Примеры заданий для самоконтроля к разделу 3:
3.1 Оцените минимальную мощность, потребляемую вашей квартирой или загородным домом (холодильник ночью, может быть, какая-то электроника), и максимальную мощность (стиральная машина, утюг, пылесос, электрочайник, обогреватель в сильные морозы или кондиционер в жару, …). Позволят ли “входные автоматы” потребить указанную максимальную мощность?
3.2 Почему сауны в загородных домах часто отапливают дровами, а не электричеством?
3.3 Назовите источники электроэнергии, мощность которых может легко регулироваться в широких пределах без потери КПД (с использованием сведений из предыдущего раздела).
Раздел 4. Существующие технологии запасания электроэнергии, их условная классификация.
Данный раздел предназначен в основном для самостоятельного изучения. Довольно полный обзор существующих технологий запасания электроэнергии дан в статьях https://hightech.fm/2017/10/30/energy-storage, https://www.eprussia.ru/epr/309-310/6228809.htmи http://peretok.ru/articles/innovations/14243/.В последних двух статьях говорится об актуальности этих технологий в том числе для нашей страны.
Кроме данных обзоров рекомендуется прочитать следующие публикации:
— https://ru.wikipedia.org/wiki/Супермаховик– о супермаховиках. Возможно, данная технология сильно недооценена в том числе из-за агрессивного маркетинга аккумуляторов, см., например, https://habr.com/post/365113/. Кстати, интересно отметить, что производители электромобилей предлагают использовать аккумуляторы, отработавшие свой ресурс в электромобилях, для домашних накопителей энергии, см. https://habr.com/post/124770/. Но даже с учетом резкого снижения цены таких аккумуляторов их применение в домашнем хозяйстве не является безальтернативным способом запасания электроэнергии, хотя бы по соображениям пожарной и экологической безопасности.
— https://ru.wikipedia.org/wiki/Ионистор— о суперконденсаторах, т.н. ионисторах. Это также очень перспективная технология, несущая угрозу производителям аккумуляторов, но, в отличие от супермаховиков, еще не окончательно доработанная.
— http://www.vesti.ru/doc.html?id=2692810– о т.н. проточныхбатареях.Проточная батарея – это модификация обычныххимических аккумуляторов, где место запаса/генерации энергии отделеноот основного объема электролитов.
— http://zaryad.com/2011/08/15/kak-sohranit-elektrichestvo-v-holodilnikah/— об интересной идее запасания энергии в виде переохлаждения больших морозильных камер-складов. Эта идея не требует для своей реализации практически никаких затрат.
— https://econet.ru/articles/109310-kakoy-nakopitel-energii-samyy-energoemkiy— о расчете конкретных параметров некоторых технологий запасания электроэнергии.
— https://hightech.plus/2018/08/22/energy-vault-predlagaet-hranit-energiyu-v-bashennih-kranah— о еще одной технологии запасания энергии, основанной на переводе электрической энергии в потенциальную энергию поднятого на высоту груза.
Примеры заданий для самоконтроля к разделу 4:
4.1 Для технологии аккумулирования энергии, упомянутой в последней ссылке (подъем и опускание бетонных блоков башенным краном), посчитайте энергоемкость башни из одного ряда бетонных блоков, исходя из высоты башни 120 метров, массы блока 35 тонн, высоты одного блока 4 метра.
4.2 Назовите достоинства и недостатки этой технологии по сравнению с близкими аналогами.
4.3 Сформулируйтемаксимально полный набор критериев, позволяющие сравнить по преимуществам и недостаткам различные технологии запасания электроэнергии.
4.4 Оцените по этим критериям технологии запасания электроэнергии, изложенные в данном разделе.