Энерге́тика — область хозяйственно- экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Её целью является обеспечение производства энергии путём преобразования первичной, природной энергии во вторичную, например в электрическую или тепловую энергию. При этом производство энергии чаще всего происходит в несколько стадий:

• получение и концентрация энергетических ресурсов, примером может послужить добыча, переработка и обогащение ядерного топлива ;
• передача ресурсов к энергетическим установкам, например доставка газа, угля, мазута на тепловую электростанцию ;
• преобразование с помощью электростанций первичной энергии во вторичную, например, химической энергии угля в электрическую и тепловую энергию;
• передача вторичной энергии потребителям, например по линиям электропередачи .

Электроэнергетика

Электроэнергетика — это подсистема энергетики, охватывающая производство электроэнергии на электростанциях и её доставку потребителям по линии электропередачи. Центральными её элементами являются электростанции, которые принято классифицировать по виду используемой первичной энергии и виду применяемых для этого преобразователей. Преобладание того или иного вида электростанций в определённом государстве зависит в первую очередь от наличия соответствующих ресурсов. Электроэнергетику принято делить на традиционную и нетрадиционную . В 2019 году 26,8 % мирового потребления электроэнергии было удовлетворено из возобновляемых источников энергии , вместе с ядерной энергетикой — 37,1 %.

Доля различных источников
в мировом производстве электроэнергии

Год	Сжигание угля	Сжигание природного газа	ГЭС	АЭС	Сжигание нефти	Прочие	Всего в год
1973	38,3 %	12,1 %	20,9 %	3,3 %	24,8 %	0,6 %	6 131 ТВт*ч
2019	36,7 %	23,5 %	16,0 %	10,3 %	2,8 %	10,7 %	27 044 ТВт*ч

Традиционная электроэнергетика

Характерной чертой традиционной электроэнергетики является её давняя и хорошая освоенность, она прошла длительную проверку в разнообразных условиях эксплуатации.

Основную долю электроэнергии во всём мире получают именно на традиционных электростанциях, их единичная электрическая мощность очень часто превышает 1000 Мвт . Традиционная электроэнергетика делится на несколько направлений .

Тепловая энергетика

В этой отрасли производство электроэнергии производится на тепловых электростанциях ( ТЭС ), использующих для этого химическую энергию органического топлива. Они делятся на:

• Паротурбинные электростанции, на которых энергия преобразуется с помощью паротурбинной установки ;
• Газотурбинные электростанции , на которых энергия преобразуется с помощью газотурбинной установки ;
• Парогазовые электростанции, на которых энергия преобразуется с помощью парогазовой установки .

Теплоэнергетика в мировом масштабе преобладает среди традиционных видов, на базе угля вырабатывается 46 % всей электроэнергии мира, на базе газа — 18 %, ещё около 3 % — за счет сжигания биомасс, нефть используется для 0,2 %. Суммарно тепловые станции обеспечивают около 2/3 от общей выработки всех электростанций мира

На 2013 год, средний КПД тепловых электростанций был равен 34 %, при этом наиболее эффективные угольные электростанции имели КПД в 46 %, а наиболее эффективные газовые электростанции — 61 % .

Энергетика таких стран мира, как Польша и ЮАР практически полностью основана на использовании угля, а Нидерландов — газа . Очень велика доля теплоэнергетики в Китае , Австралии , Мексике .

Гидроэнергетика

В этой отрасли электроэнергия производится на гидроэлектростанциях ( ГЭС ), использующих для этого энергию водного потока .

ГЭС преобладает в ряде стран — в Норвегии и Бразилии вся выработка электроэнергии происходит на них. Список стран, в которых доля выработки ГЭС превышает 70 %, включает несколько десятков.

Ядерная энергетика

Отрасль, в которой электроэнергия производится на атомных электростанциях ( АЭС ), использующих для этого энергию управляемой цепной ядерной реакции деления , чаще всего урана и плутония .

По доле АЭС в выработке электроэнергии первенствует Франция , около 70 %. Преобладает она также в Бельгии , Республике Корея и некоторых других странах. Мировыми лидерами по производству электроэнергии на АЭС являются США , Франция и Япония .

Альтернативная энергетика

Большинство направлений альтернативной энергетики основаны на вполне традиционных принципах, но первичной энергией в них служат либо источники локального значения, например ветряные, геотермальные, либо источники находящиеся в стадии освоения, например топливные элементы или источники, которые могут найти применение в перспективе, например термоядерная энергетика . Характерными чертами альтернативной энергетики является её экологическая чистота, чрезвычайно большие затраты на (например для солнечной электростанции мощностью 1000 МВт требуется покрыть весьма дорогостоящими зеркалами площадь около 4-х км² ) и малая единичная мощность .

Направления альтернативной энергетики :

• Ветроэнергетика
• Солнечная энергетика
• Малые гидроэлектростанции
• Геотермальная энергетика
• Биоэнергетика
• Установки на топливных элементах
• Водородная энергетика
• Термоядерная энергетика .

Также можно выделить важное из-за своей массовости понятие — малая энергетика , этот термин не является в настоящее время общепринятым, наряду с ним употребляются термины локальная энергетика , распределённая энергетика , и др . Чаще всего так называют электростанции мощностью до 30 МВт с агрегатами единичной мощностью до 10 МВт. К ним можно отнести как экологичные виды энергетики, перечисленные выше, так и малые электростанции на органическом топливе, такие как дизельные электростанции (среди малых электростанций их подавляющее большинство, например в России — примерно 96 % ), газопоршневые электростанции , газотурбинные установки малой мощности на дизельном и газовом топливе .

Согласно данным BP , в 2019 году доля альтернативных возобновляемых источников энергии (без ГЭС ) составила 10,8 % в мировой генерации электричества , впервые обойдя атомную энергию по этому показателю . В 2019 году общая установленная мощность всей ветроэнергетики мира составила 651 ГВт . В 2019 году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 1430 тераватт-часов (5,3 % всей произведённой человечеством электрической энергии). В 2019 году общая установленная мощность всех работающих солнечных панелей на Земле составила 635 ГВт . В 2019 году всего работающие солнечные панели на Земле произвели 2,7 % мировой электроэнергии.

По состоянию на 2020 год суммарная мировая установленная мощность возобновляемой энергии (включая гидроэнергетику) — 2838 ГВт (гидроэнергетика обеспечивает производство до 41 % возобновляемой и до 16,8 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 1170 ГВт) , а суммарная мировая установленная мощность возобновляемой энергии (без гидроэнергетики) — 1668 ГВт. На 2020 год суммарная мировая установленная мощность солнечной энергетики достигает 760 ГВт. .
Суммарная мировая установленная мощность ветроэнергетики (на 2020 год) достигает 743 ГВт, что эквивалентно годовым выбросам углерода в во всей Южной Америке или более 1,1 миллиарда тонн C02 в год. . Суммарная мировая установленная мощность биоэнергетики (на 2020 год) достигает 145 ГВт. ; суммарная мировая установленная мощность геотермальной энергетики — 14,1 ГВт .

Электрические сети

Электрическая сеть — совокупность подстанций , распределительных устройств и соединяющих их линий электропередачи , предназначенная для передачи и распределения электрической энергии . Электрическая сеть обеспечивает выдачу мощности электростанций, её передачи на расстояние, преобразование электрических параметров ( напряжения , тока ) на подстанциях и её распределение по территории до непосредственных потребителей электроэнергии.

Электрические сети современных энергосистем являются многоступенчатыми , то есть электроэнергия претерпевает большое количество преобразований на пути от источников электроэнергии к её потребителям. Также для современных электрических сетей характерна многорежимность , — это разнообразие загрузки элементов сети в течение суток и в течение года, а также разнообразие режимов, возникающих при выводе различных элементов сети в плановый ремонт и при их аварийных отключениях. Эти и другие характерные черты современных электросетей делают их структуры и конфигурации весьма сложными и различными .

Теплоэнергетика

Жизнь современного человека связана с широким использованием не только электрической, но и тепловой энергии . Для того, чтобы человек чувствовал себя комфортно дома, на работе, в любом общественном месте, все помещения должны отапливаться и снабжаться горячей водой для бытовых целей. Так как это напрямую связано со здоровьем человека, в развитых государствах пригодные температурные условия в различного рода помещениях регламентируются санитарными правилами и стандартами . Такие условия могут быть реализованы в большинстве стран мира только при постоянном подводе к объекту отопления ( теплоприёмнику ) определённого количества тепла, которое зависит от температуры наружного воздуха, для чего чаще всего используется горячая вода с конечной температурой у потребителей около 80—90 °C . Также для различных технологических процессов промышленных предприятий может требоваться так называемый производственный пар с давлением 1—3 МПа . В общем случае снабжение любого объекта теплом обеспечивается системой, состоящей из:

• источника тепла, например котельной ;
• тепловой сети , например из трубопроводов горячей воды или пара ;
• теплоприёмника, например батареи водяного отопления .

Централизованное теплоснабжение

Характерной чертой централизованного теплоснабжения является наличие разветвлённой тепловой сети, от которой питаются многочисленные потребители ( заводы , здания , жилые помещения и пр.). Для централизованного теплоснабжения используются два вида источников:

• Теплоэлектроцентрали ( ТЭЦ );
• Котельные , которые делятся на:
  • Водогрейные;
  • Паровые.

Децентрализованное теплоснабжение

Систему теплоснабжения называют децентрализованной , если источник теплоты и теплоприёмник практически совмещены, то есть тепловая сеть или очень маленькая, или отсутствует. Такое теплоснабжение может быть индивидуальным, когда в каждом помещении используются отдельные отопительные приборы, например электрические, или местным, например обогрев здания с помощью собственной малой котельной. Обычно теплопроизводительность таких котельных не превышает 1 Гкал /ч (1,163 МВт). Мощность тепловых источников индивидуального теплоснабжения обычно совсем невелика и определяется потребностями их владельцев. Виды децентрализованного отопления:

• Малые котельные;
• Электрическое, которое делится на:
  • Прямое;
  • Аккумуляционное;
  • Теплонасосное ;
• Печное .

Тепловые сети

Тепловая сеть — это сложное инженерно-строительное сооружение, служащее для транспорта тепла с помощью теплоносителя, воды или пара, от источника, ТЭЦ или котельной, к тепловым потребителям.

От прямой сетевой воды с помощью магистральных теплопроводов горячая вода подаётся в населённые пункты. Магистральные теплопроводы имеют ответвления, к которым присоединяется разводка к тепловым пунктам , в которых находится теплообменное оборудование с регуляторами , обеспечивающими снабжение потребителей тепла и горячей воды. Тепловые магистрали соседних ТЭЦ и котельных для повышения надёжности теплоснабжения соединяют перемычками с запорной арматурой , которые позволяют обеспечить бесперебойное теплоснабжение даже при авариях и ремонтах отдельных участков тепловых сетей и источников теплоснабжения. Таким образом, тепловая сеть любого города является сложным комплексом теплопроводов, источников тепла и его потребителей .

Энергетическое топливо

Так как большинство из традиционных электростанций и источников теплоснабжения выделяют энергию из невозобновляемых ресурсов, вопросы добычи, переработки и доставки топлива чрезвычайно важны в энергетике. В традиционной энергетике используются два принципиально отличных друг от друга видов топлива.

Органическое топливо

В зависимости от агрегатного состояния органическое топливо делится на газообразное , жидкое и твёрдое, каждое из них в свою очередь делится на естественное и искусственное. Доля такового топлива в мировом энергобалансе составляла в 2000 году около 65 %, из которых 39 % приходились на уголь, 16 % на природный газ, 9 % на жидкое топливо(2000 г.). В 2010 году по данным BP доля ископаемого органического топлива 87 %, в том числе: нефть 33,6 %, уголь 29,6 % газ 23,8 % .Tо же по данным «Renewable21» 80,6 %, не считая традиционной биомассы 8,5 % .

Газообразное

Естественным топливом является природный газ , искусственным:

• Генераторный газ ;
• Коксовый газ ;
• Доменный газ;
• Продукты перегонки нефти ;
• Газ подземной газификации;
• Биогаз ;
• Синтез-газ .

Жидкое

Естественным топливом является нефть , искусственным называют продукты его перегонки:

• Бензин ;
• Керосин ;
• Соляровое масло ;
• Мазут .

Твёрдое

Естественным топливом являются:

• Ископаемое топливо :
  • Торф ;
  • Бурый уголь ;
  • Каменный уголь ;
  • Антрацит ;
  • Горючий сланец ;
• Растительное топливо:
  • Дрова ;
  • Древесные отходы;
  • Топливные брикеты ;
  • Топливные гранулы .

Искусственным твёрдым топливом являются:

• Древесный уголь ;
• Кокс и полукокс ;
• Углебрикеты;
• Отходы углеобогащения .

Ядерное топливо

В использовании ядерного топлива вместо органического состоит главное и принципиальное отличие АЭС от ТЭС. Ядерное топливо получают из природного урана , который добывают:

• В шахтах ( Франция , Нигер , ЮАР );
• В открытых карьерах ( Австралия , Намибия );
• Способом подземного выщелачивания ( Казахстан , США , Канада , Россия ).

Для использования на АЭС требуется обогащение урана , поэтому его после добычи отправляют на обогатительный завод, после переработки на котором 90 % побочного обеднённого урана направляется на хранение, а 10 % обогащается до нескольких процентов (3—5 % для энергетических реакторов ). Обогащённый диоксид урана направляется на специальный завод, где из него изготавливают цилиндрические таблетки , которые помещают в герметичные циркониевые трубки длиной почти 4 м, ТВЭЛы ( тепловыделяющие элементы ). По нескольку сотен ТВЭЛов для удобства использования объединяют в ТВС, тепловыделяющие сборки .

Энергетические системы

Энергетическая система ( энергосистема ) — в общем смысле совокупность энергетических ресурсов всех видов, а также методов и средств для их получения, преобразования, распределения и использования, которые обеспечивают снабжение потребителей всеми видами энергии. В энергосистему входят системы электроэнергетическая, нефте- и газоснабжения , угольной промышленности , ядерной энергетики и другие. Обычно все эти системы объединяются в масштабах страны в единую энергетическую систему , в масштабах нескольких районов — в объединённые энергосистемы . Объединение отдельных энергоснабжающих систем в единую систему также называют межотраслевым топливно-энергетическим комплексом (ТЭК), оно обусловлено прежде всего взаимозаменяемостью различных видов энергии и энергоресурсов .

Часто под энергосистемой в более узком смысле понимают совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, которые соединены между собой и связаны общими режимами непрерывных производственных процессов преобразования, передачи и распределения электрической и тепловой энергии, что позволяет осуществлять централизованное управление такой системой . В современном мире снабжение потребителей электроэнергией производится от электростанций, которые могут находиться вблизи потребителей или могут быть удалены от них на значительные расстояния. В обоих случаях передача электроэнергии осуществляется по линиям электропередачи. Однако в случае удалённости потребителей от электростанции передачу приходится осуществлять на повышенном напряжении, а между ними сооружать повышающие и понижающие подстанции. Через эти подстанции с помощью электрических линий электростанции связывают друг с другом для параллельной работы на общую нагрузку, также через тепловые пункты с помощью теплопроводов, только на гораздо меньших расстояниях связывают между собой ТЭЦ и котельные . Совокупность всех этих элементов называют энергосистемой , при таком объединении возникают существенные технико—экономические преимущества:

• существенное снижение стоимости электро- и теплоэнергии;
• значительное повышение надёжности электро- и теплоснабжения потребителей;
• повышение экономичности работы различных типов электростанций;
• снижение необходимой резервной мощности электростанций.

Такие огромные преимущества в использовании энергосистем привели к тому, что уже к 1974 году лишь менее 3 % всего количества электроэнергии мира было выработано отдельно работавшими электростанциями. С тех пор мощность энергетических систем непрерывно возрастала, а из более мелких создавались мощные объединённые системы .

См. также

• Альтернативная энергетика
• Мировое потребление энергии
• Энергетический кризис
• ( )
  • ( )
• Газопоршневая электростанция

Примечания