Производство электроэнергии - Electricity generation - Wikipedia

Схема электроэнергетической системы, системы генерации красным цветом

Производство электроэнергии это процесс создания электроэнергия из источников первичная энергия. За коммунальные услуги в электроэнергетика, это этап, предшествующий его Доставка (коробка передач, распределение и т. д.) конечным пользователям или их место хранения (используя, например, гидроаккумулятор метод).

Электричество не доступно в природе в свободном доступе, поэтому его необходимо «производить» (то есть преобразовывать другие формы энергии в электричество). Производство осуществляется в энергостанции (также называемые «электростанции»). Электроэнергия чаще всего вырабатывается на электростанции электромеханический генераторы, в первую очередь за счет тепловые двигатели подпитывается горение или же ядерное деление но и другими способами, такими как кинетическая энергия текущей воды и ветра. Другие источники энергии включают солнечную фотогальваника и геотермальная энергия.

История

Производство электроэнергии в мире, 1980-2013 гг.

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. Майкл Фарадей. Его метод, который используется до сих пор, заключается в том, что электричество генерируется движением проволочной петли, или Диск Фарадея, между полюсами магнит. Центральные электростанции стали экономически практичными с развитием переменный ток (AC) передача энергии с использованием мощности трансформаторы для передачи мощности при высоком напряжении и с низкими потерями.

Коммерческое производство электроэнергии началось в 1873 году.^{[нужна цитата ]} с соединением динамо-машины с гидротурбиной. Механическое производство электроэнергии начало Вторая промышленная революция и сделал возможным несколько изобретений с использованием электричества, при этом основные участники Томас Альва Эдисон и Никола Тесла. Раньше единственным способом производства электричества были химические реакции или использование аккумуляторных элементов, и единственное практическое использование электричества было для телеграф.

Производство электроэнергии на центральных электростанциях началось в 1882 году, когда паровой двигатель за рулем динамо-машины Станция Pearl Street произвел Постоянный ток это включило общественное освещение Жемчужная улица, 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.^[1] Сегодня используются самые разные источники энергии, такие как каменный уголь, ядерный, натуральный газ, гидроэлектростанция, ветер, и масло, а также солнечная энергия, приливная сила, и геотермальный источники.

Способы генерации

Мировое производство электроэнергии по источникам в 2017 году. Общее производство составило 26 PWh.^[2]

Уголь (38%)

Природный газ (23%)

Гидро (16%)

Ядерная (10%)

Ветер (4%)

Масло (3%)

Солнечная (2%)

Биотопливо (2%)

Другое (2%)

Существует несколько фундаментальных методов преобразования других форм энергии в электрическую. Производство в масштабе коммунальных предприятий достигается вращающимися электрогенераторами или фотоэлектрический системы. Небольшая часть электроэнергии, распределяемой коммунальными предприятиями, обеспечивается батареями. Другие формы производства электроэнергии, используемые в нишевых приложениях, включают трибоэлектрический эффект, то пьезоэлектрический эффект, то термоэлектрический эффект, и бетавольтаика.

Генераторы

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

Электрические генераторы преобразовать кинетическая энергия в электричество. Это наиболее распространенная форма производства электроэнергии, основанная на Закон 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, в которой механическая энергия заставляет генератор вращаться:

Электрохимия

Большие плотины, такие как Плотина Гувера, может предоставить большое количество гидроэлектростанция мощность; он имеет 2,07 ГВт возможности.

Электрохимия прямое преобразование химическая энергия в электричество, как в аккумулятор. Электрохимическое производство электроэнергии важно для портативных и мобильных приложений. В настоящее время большая часть электрохимической энергии поступает от батарей.^[3] Первичные клетки, например, обычные цинк-угольные батареи, действуют как источники питания напрямую, но вторичные клетки (т.е. аккумуляторные батареи) используются для место хранения системы, а не системы первичной генерации. Открытые электрохимические системы, известные как топливные элементы, могут использоваться для получения энергии либо из природного топлива, либо из синтезированного топлива. Осмотическая сила возможность в местах слияния соленой и пресной воды.

Фотоэлектрический эффект

В фотоэлектрический эффект это преобразование света в электрическую энергию, как в солнечные батареи. Фотоэлектрические панели преобразовывать солнечный свет непосредственно в электричество постоянного тока. Инверторы мощности затем при необходимости можно преобразовать его в электричество переменного тока. Хотя солнечный свет бесплатный и обильный, солнечная энергия электричество по-прежнему обычно дороже производить, чем крупномасштабная механическая выработка электроэнергии 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%.^[4] 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

Выбор режимов производства электроэнергии и их экономическая жизнеспособность варьируются в зависимости от спроса и региона. Экономика во всем мире значительно различается, в результате широко распространенные цены продажи жилья, например цена в Исландии составляет 5,54 цента за кВтч, а в некоторых островных государствах - 40 центов за кВтч. Гидроэлектростанции, атомная электростанция, тепловые электростанции и возобновляемые источники имеют 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.^[5]

Тепловая энергия может быть экономичным в районах с высокой промышленной плотностью, так как 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 электростанции также могут выдерживать колебания нагрузки и потребления за счет добавления большего количества блоков или временного снижения производства некоторых блоков. Атомные электростанции могут производить огромное количество энергии из одного блока. Тем не мение, бедствия в Японии вызывают обеспокоенность 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 перемещения 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 сейчас энергия во многих случаях становится такой же дорогой или менее дорогой, чем ископаемое топливо.^[6] Многие правительства по всему миру предоставляют субсидии, чтобы компенсировать более высокую стоимость любого нового производства электроэнергии, а также для установки Возобновляемая энергия системы экономически целесообразны.

Генераторное оборудование

Большой генератор со снятым ротором

Электрические генераторы были известны в простых формах с момента открытия электромагнитная индукция в 1830-х гг. 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.^[7] Единственное промышленное производство электроэнергии, в котором не используются генераторы, - это солнечные фотоэлектрические системы.

Турбины

Большие плотины, такие как Плотина Три ущелья в Китае может предоставить большое количество гидроэлектростанция мощность; он имеет 22,5 ГВт возможности.

Почти вся коммерческая электроэнергия на Земле вырабатывается турбина, приводимые в движение ветром, водой, паром или горящим газом. Турбина приводит в действие генератор, преобразуя его механическую энергию в электрическую за счет электромагнитной индукции. Есть много разных методов развития механической энергии, в том числе тепловые двигатели, гидро-, ветровая и приливная энергия. Большая часть производства электроэнергии приводится в движение тепловые двигатели. Горение ископаемое топливо поставляет большую часть энергии этим двигателям, причем значительную часть приходится на ядерное деление и некоторые из возобновляемые источники. Современный паровая турбина (изобретен Сэр Чарльз Парсонс в 1884 г.) в настоящее время составляет около 80% электроэнергия в мире с использованием различных источников тепла. Типы турбин включают:

Пар
- Вода кипятится каменный уголь сгорел в тепловая электростанция. Таким образом вырабатывается около 41% всей электроэнергии.^[8]
- Ядерное деление тепло, созданное в ядерный реактор создает пар. Таким образом вырабатывается менее 15% электроэнергии.
- Возобновляемая энергия. Пар вырабатывается биомасса, солнечная тепловая энергия, или же геотермальная энергия.
Природный газ: турбины работают непосредственно от газов, образующихся при сгорании. Комбинированный цикл приводятся в действие как паром, так и природным газом. Они вырабатывают электроэнергию, сжигая природный газ в газовая турбина и использовать остаточное тепло для производства пара. Не менее 20% мировой электроэнергии вырабатывается за счет природного газа.
Энергия воды улавливается водяная турбина от движения воды - от падающей воды, приливов и отливов или тепловых течений океана (см. преобразование тепловой энергии океана ). В настоящее время гидроэлектростанции обеспечивают примерно 16% мировой электроэнергии.
В мельница был очень ранним ветряная турбина. В солнечная восходящая башня ветер создается искусственно. До 2010 года менее 2% мировой электроэнергии производилось за счет ветра.

Хотя турбины наиболее распространены в коммерческом производстве электроэнергии, генераторы меньшего размера могут питаться от бензин или же дизельные двигатели. Они могут использоваться для резервной генерации или в качестве основного источника энергии в изолированных деревнях.

Производство

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%.^[9]

Источник электроэнергии (в целом за 2008 год)
-	Каменный уголь	Масло	Естественный Газ	Ядерная	Возобновляемые источники энергии	Другой	Общий
Средняя электрическая мощность (ТВтч / год)	8,263	1,111	4,301	2,731	3,288	568	20,261
Средняя электрическая мощность (ГВт)	942.6	126.7	490.7	311.6	375.1	64.8	2311.4
Пропорции	41%	5%	21%	13%	16%	3%	100%

источник данных IEA / OECD

Энергетический поток электростанции

Общая энергия, потребленная на всех электростанциях для производства электроэнергии, составила 51 158 тераватт-часы (4,398,768 килотонны нефтяного эквивалента ), что составило 36% от общего объема по первичным источникам энергии (ОППЭ) в 2008 году. Выработка электроэнергии (валовая) составила 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 3369 ТВтч (289681 тыс. Тнэ). Сумма, поставленная конечному потребителю, составила 16809 ТВтч (1445285 тыс. совместное поколение (ТЭЦ) заводы.^[10]

Исторические итоги производства электроэнергии

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

^{[нужна цитата ]}^{[нужна цитата ]}

Производство по странам

Соединенные Штаты долгое время были крупнейшим производителем и потребителем электроэнергии, с мировой долей в 2005 году не менее 25%, за которой следовали Китай, Япония, Россия и Индия. В 2011 году Китай обогнал Соединенные Штаты и стал крупнейшим производителем электроэнергии.

Список стран с источниками электроэнергии 2005 г.

Источником данных о ценностях (произведенной электроэнергии) является МЭА / ОЭСР.^[11]По данным CIA World Factbook 2009, перечисленные страны входят в двадцатку лучших по численности населения или в двадцатку лучших по ВВП (ППС) и Саудовская Аравия.^[12]

Состав электроэнергии по ресурсам (ТВтч в 2008 г.)
Электроэнергетический сектор страны	Ископаемое топливо					Ядерная	классифицировать	Возобновляемый								Био Другой*	общий	классифицировать
Электроэнергетический сектор страны	Каменный уголь	Масло	Газ	суб общий	классифицировать	Ядерная	классифицировать	Гидро	Гео Термический	Солнечная PV *	Солнечная Термический	Ветер	Прилив	суб общий	классифицировать	Био Другой*	общий	классифицировать
Всего в мире	8,263	1,111	4,301	13,675	-	2,731	-	3,288	65	12	0.9	219	0.5	3,584	-	271	20,261	-
Пропорции	41%	5.5%	21%	67%	-	13%	-	16%	0.3%	0.06%	0.004%	1.1%	0.003%	18%	-	1.3%	100%	-
Китай	2,733	23	31	2,788	2	68	8	585	-	0.2	-	13	-	598	1	2.4	3,457	2
Индия	569	34	82	685	5	15	12	114	-	0.02	-	14	-	128.02	6	2.0	830	5
Соединенные Штаты Америки	2,133	58	1,011	3,101	1	838	1	282	17	1.6	0.88	56	-	357	4	73	4,369	1
Индонезия	61	43	25	130	19	-	-	12	8.3	-	-	-	-	20	17	-	149	20
Бразилия	13	18	29	59	23	14	13	370	-	-	-	0.6	-	370	3	20	463	9
Пакистан	0.1	32	30	62	22	1.6	16	28	-	-	-	-	-	28	14	-	92	24
Бангладеш	0.6	1.7	31	33	27	-	-	1.5	-	-	-	-	-	1.5	29	-	35	27
Нигерия	-	3.1	12	15	28	-	-	5.7	-	-	-	-	-	5.7	25	-	21	28
Россия	197	16	495	708	4	163	4	167	0.5	-	-	0.01	-	167	5	2.5	1,040	4
Япония	288	139	283	711	3	258	3	83	2.8	2.3	-	2.6	-	91	7	22	1,082	3
Мексика	21	49	131	202	13	9.8	14	39	7.1	0.01	-	0.3	-	47	12	0.8	259	14
Филиппины	16	4.9	20	40	26	-	-	9.8	11	0.001	-	0.1	-	21	16	-	61	26
Вьетнам	15	1.6	30	47	25	-	-	26	-	-	-	-	-	26	15	-	73	25
Эфиопия	-	0.5	-	0.5	29	-	-	3.3	0.01	-	-	-	-	3.3	28	-	3.8	30
Египет	-	26	90	115	20	-	-	15	-	-	-	0.9	-	16	20	-	131	22
Германия	291	9.2	88	388	6	148	6	27	0.02	4.4	-	41	-	72	9	29	637	7
индюк	58	7.5	99	164	16	-	-	33	0.16	-	-	0.85	-	34	13	0.22	198	19
ДР Конго	-	0.02	0.03	0.05	30	-	-	7.5	-	-	-	-	-	7.5	22	-	7.5	29
Иран	0.4	36	173	209	11	-	-	5.0	-	-	-	0.20	-	5.2	26	-	215	17
Таиланд	32	1.7	102	135	18	-	-	7.1	0.002	0.003	-	-	-	7.1	23	4.8	147	21
Франция	27	5.8	22	55	24	439	2	68	-	0.04	-	5.7	0.51	75	8	5.9	575	8
Великобритания	127	6.1	177	310	7	52	10	9.3	-	0.02	-	7.1	-	16	18	11	389	11
Италия	49	31	173	253	9	-	-	47	5.5	0.2	-	4.9	-	58	11	8.6	319	12
Южная Корея	192	15	81	288	8	151	5	5.6	-	0.3	-	0.4	-	6.3	24	0.7	446	10
Испания	50	18	122	190	14	59	9	26	-	2.6	0.02	32	-	61	10	4.3	314	13
Канада	112	9.8	41	162	17	94	7	383	-	0.03	-	3.8	0.03	386	2	8.5	651	6
Саудовская Аравия	-	116	88	204	12	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	204	18
Тайвань	125	14	46	186	15	41	11	7.8	-	0.004	-	0.6	-	8.4	21	3.5	238	16
Австралия	198	2.8	39	239	10	-	-	12	-	0.2	0.004	3.9	-	16	19	2.2	257	15
Нидерланды	27	2.1	63	92	21	4.2	15	0.1	-	0.04	-	4.3	-	4.4	27	6.8	108	23
Страна	Каменный уголь	Масло	Газ	суб общий	классифицировать	Ядерная	классифицировать	Гидро	Гео Термический	Солнечная PV	Солнечная Термический	Ветер	Прилив	суб общий	классифицировать	Био Другой	Общий	классифицировать

Солнечные фотоэлектрические * является Фотогальваника Био другое * = 198 ТВт-ч (биомасса) + 69 ТВт-ч (отходы) + 4 ТВт-ч (прочие)

Проблемы окружающей среды

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%.^[11] 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. Транспортные выбросы почти не отстают, составляя около одной трети производства США углекислый газ.^[13]В Соединенных Штатах на сжигание ископаемого топлива для производства электроэнергии приходится 65% всех выбросов диоксид серы, основной компонент кислотных дождей.^[14] Производство электроэнергии является четвертым по величине комбинированным источником NOx, монооксид углерода, и твердые частицы в США.^[15]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 солнечные, в четыре раза ниже, чем у чистого угля и в 36 раз ниже, чем у обычного угля ».^[16]

Выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла по источникам электроэнергии^[17]
Технологии	Описание	50-й процентиль (г CO2 / кВтч_е)
Гидроэлектростанции	резервуар	4
Ветер	береговой	12
Ядерная	разные реактор поколения II типы	16
Биомасса	разные	18
Солнечная тепловая энергия	параболический желоб	22
Геотермальный	горячий сухой камень	45
Солнечные фотоэлектрические	Поликристаллический кремний	46
Натуральный газ	различные турбины комбинированного цикла без промывки	469
Каменный уголь	различные типы генераторов без очистки	1001

Смотрите также

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.