Как работают электростанции? | Как мы производим электричество?

Не так давно алхимики мечтали превратить дешевые и уродливые
металлы в ценные, такие как золото. Электростанции (также называемые
электростанциями) проделывают похожий трюк, превращая куски угля и капли нефти в разряды
электрического тока, которые могут приготовить вам ужин или зарядить ваш телефон. Если
бы не электростанции, я бы
сейчас не писал эти слова, а вы бы их не читали. На самом деле, большинство вещей,
которые мы делаем каждый день, и многое из того, что мы используем, в скрытом долгу благодарности
этим гигантским энергетическим заводам, которые превращают
«ископаемое топливо» (уголь, природный газ и нефть) в электроэнергию.

Эта энергетическая алхимия — довольно удивительный трюк, и довольно недавний
, поскольку самая первая практическая электростанция была построена
всего лишь в 1882 году (Томасом Эдисоном). Тем не менее, удивление — это часто последнее, что мы чувствуем, когда думаем
о производстве электроэнергии в начале 21-го века. В эпоху, когда
забота об окружающей среде (совершенно справедливо) важнее, чем
когда-либо, модно насмехаться над электростанциями как над злыми, грязными местами,
закачивающими загрязнения в наш воздух, землю и воду. Однажды мы, возможно, сможем
производить всю нашу электроэнергию абсолютно чистым и экологичным способом.
До тех пор электростанции жизненно важны для того, чтобы наши школы,
больницы, дома и офисы были светлыми, теплыми и гудящими жизнью;
современная жизнь была бы невозможна без них. Как они работают? Давайте
рассмотрим их поближе!

Фото: Электростанция Keystone Generating Station — типичная электростанция на ископаемом топливе (уголь)
недалеко от Шелокты, штат Пенсильвания, США, построенная в 1967 году. Ее мощность составляет 1,71 гигаватт (1711 мегаватт), что эквивалентно примерно 850 ветряным турбинам среднего размера (2 мегаватта), работающим на максимальной мощности.
Фото предоставлено проектом «Америка» Кэрол М. Хайсмит в Архиве Кэрол М. Хайсмит,
Отдел эстампов и фотографий Библиотеки Конгресса.

Магическая наука о растениях-электростанциях

Одна крупная электростанция может вырабатывать достаточно электроэнергии (около 2
гигаватт, 2000 мегаватт или 2 000 000 000 ватт), чтобы обеспечить
пару сотен тысяч домов, и это то же самое количество энергии, которое
вы могли бы выработать, если бы около 1000 больших ветряных турбин
работали на полную мощность. Но великолепная наука, стоящая за этим удивительным трюком, связана не столько с электростанцией,
сколько с топливом , которое она сжигает. Настоящее волшебство заключается не в том, что
электростанции превращают топливо в электричество: оно в том, что даже небольшое количество
ископаемого топлива содержит большое количество энергии. Килограмм угля
или литр нефти содержит около 30 МДж энергии — огромное количество,
эквивалентное нескольким тысячам 1,5-вольтовых батареек! Работа электростанции
заключается в том, чтобы высвобождать эту химическую энергию в виде тепла, использовать тепло для приведения в действие
прядильной машины, называемой турбиной, а затем использовать турбину для питания
генератора (машины, производящей электричество). Электростанции могут производить так
много энергии, потому что они сжигают огромное количество топлива, и каждая
частица этого топлива наполнена энергией.

К сожалению, большинство электростанций не очень эффективны: на типичной старой электростанции, работающей на угле, только около трети энергии, запертой внутри топлива, преобразуется в электричество, а остальное тратится впустую. Более новые конструкции, такие как электростанции с комбинированным циклом (которые мы рассмотрим через минуту), могут иметь эффективность до 50 процентов. Как показывает диаграмма, еще больше электроэнергии тратится впустую по пути от электростанции до вашего дома. Если сложить все потери, то только около пятой части энергии в топливе доступна в качестве полезной энергии в вашем доме.

Диаграмма: Крупные централизованные электростанции, работающие на ископаемом топливе, очень неэффективны, тратя около двух третей энергии в топливе. Вот типичный сценарий: около 62 процентов теряется на самой станции в виде отработанного тепла. Еще 4 процента исчезает в линиях электропередач и трансформаторах, которые передают электричество от электростанции к вам домой. После того, как электричество поступает, ваши бытовые приборы тратят еще 13 процентов. В общей сложности только 22 процента исходной энергии в топливе (зеленый сектор) превращается в энергию, которую вы фактически можете использовать. Источник: данные из «Децентрализация энергии: энергетическая революция для 21-го века», Гринпис, 2005 г.

Типы электростанций

Паровая турбина

Большинство традиционных электростанций вырабатывают энергию, сжигая топливо для
высвобождения тепла . По этой причине их называют тепловыми
(тепловыми) электростанциями. Угольные и нефтяные электростанции работают примерно так, как я
показал на рисунке выше, сжигая топливо с кислородом для высвобождения тепловой
энергии, которая кипятит воду и приводит в действие паровую турбину. Эту
базовую конструкцию иногда называют простым циклом .

Фото: Великолепная модель паровой турбины и электрогенератора в разрезе. Пар поступает в турбину через огромные серые трубы наверху, вращая похожую на ветряную мельницу турбину в середине. Когда турбина вращается, она вращает подключенный к ней электрогенератор (синий цилиндр, который вы можете видеть справа). Эта модель находится в Think Tank, музее науки и техники в Бирмингеме, Англия.

Газовая турбина

Газовые электростанции работают немного по-другому, что очень
похоже на то, как работает реактивный двигатель. Вместо того, чтобы производить пар, они сжигают
постоянный поток газа и используют его для приведения в действие немного иной конструкции турбины (называемой газовой турбиной )
.

Фото:
Электростанция McNeil в Берлингтоне, штат Вермонт, сжигает древесное топливо (коричневое, слева) в газовой турбине, производя скромные 50 мегаватт электроэнергии, чего вполне достаточно для местного города. Фото Уоррена Гретца предоставлено US DOE/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемой энергии).

Комбинированные конструкции

Каждая когда-либо построенная электростанция имела одну главную цель: получить как
можно больше полезной электроэнергии из своего топлива — другими словами,
быть максимально эффективной. Когда реактивные двигатели с визгом проносятся по небу,
выпуская горячие газы, как реактивные двигатели, они тратят
энергию впустую. Мы не можем ничего сделать с этим в самолете, но мы можем
кое-что сделать с этим на электростанции. Мы можем взять горячие выхлопные
газы, выходящие из газовой турбины, и использовать их для питания паровой турбины,
а также в том, что называется комбинированным циклом . Это позволяет нам
производить на 50 процентов больше электроэнергии из топлива по сравнению
с обычной, простой циклической установкой. В качестве альтернативы мы можем повысить
эффективность электростанции, пропуская отработанные газы через теплообменник,
чтобы они вместо этого нагревали воду. Такая конструкция называется
комбинированной выработкой тепла и электроэнергии (ТЭЦ)
или когенерацией, и она быстро становится одной из самых популярных конструкций (ее также можно
использовать для очень мелкомасштабного производства электроэнергии в блоках примерно такого же
размера, как автомобильные двигатели).

Ядерный

Атомные электростанции работают по принципу, похожему на простые угольные или
нефтяные электростанции, но вместо сжигания топлива они разбивают атомы на части, чтобы
высвободить тепловую энергию. Это используется для кипячения воды, выработки пара и
питания паровой турбины и генератора обычным способом. Более
подробную информацию см. в нашей основной статье о том, как работают атомные электростанции.

Гидро

В то время как все эти типы электростанций по сути являются тепловыми
(генерируют и выделяют тепло для привода паровой или газовой турбины), два других
очень распространенных типа вообще не используют никакого тепла. Гидроэлектростанции
и гидроаккумулирующие электростанции спроектированы так, чтобы перекачивать огромные объемы
воды через огромные водяные турбины (представьте их как очень эффективные
водяные колеса), которые напрямую приводят в действие генераторы. На гидроэлектростанции
река течет за огромной бетонной плотиной. Вода
может выходить через относительно небольшое отверстие в плотине, называемое напорным водоводом
, и, делая это, она заставляет одну или несколько турбин вращаться . Пока река течет, турбины вращаются, а плотина вырабатывает гидроэлектроэнергию. Хотя они не загрязняют окружающую среду и не производят выбросов, гидроэлектростанции наносят большой вред другими способами: они ухудшают состояние рек, блокируя их течение, и затапливают огромные территории, заставляя многих людей покидать свои дома (плотина «Три ущелья» в Китае выселила около 1,2 миллиона человек).

Гидроаккумулирующая электростанция вырабатывает электроэнергию аналогично гидроэлектростанции
, но перекачивает одну и ту же воду туда и обратно между высокоуровневым озером и низкоуровневым озером. В периоды
пикового спроса вода может перетекать из высокоуровневого озера в низкоуровневое
, генерируя электроэнергию по высокой цене. Когда спрос
падает, посреди ночи вода снова перекачивается
из низкоуровневого озера в высокоуровневое, используя низкотарифную электроэнергию. Таким образом, гидроаккумулирующая
электростанция на самом деле является способом извлечь выгоду из того, что
в одни времена электроэнергия стоит дороже, чем в другие.

Фото: Гидроэлектростанция МакНэри в Орегоне вырабатывает 980 мегаватт электроэнергии, когда вода проносится через ее турбины. Это примерно столько же, сколько 2000 ветряных турбин среднего размера, вращающихся
на большой скорости. Фото предоставлено Министерством энергетики США (Flickr).

Как электричество попадает в ваш дом

Одной из замечательных особенностей электричества является то, что мы можем производить его
практически где угодно и передавать на огромные расстояния по линиям электропередач к
нашим домам. Это позволяет нам обеспечивать электроэнергией огромные города, не
строя огромные грязные электростанции прямо в их центре или
не размещая электростанции там, где есть удобные угольные месторождения или
быстрые реки, чтобы их питать. Теперь требуется энергия, чтобы послать
электрический ток по проводу, потому что даже самые лучшие провода, сделанные
из таких материалов, как золото, серебро и медь, имеют то, что называется
сопротивлением — они препятствуют потоку электричества. Чем
длиннее провод, тем больше сопротивление и тем больше энергии
тратится впустую. Поэтому вы можете подумать, что посылка электричества по невероятно
длинным силовым кабелям была бы очень глупым и расточительным занятием.

Фото: Линии электропередач, натянутые между опорами, передают электроэнергию на большие расстояния.
Фото предоставлено Министерством энергетики США (Flickr).

Однако есть простой способ обойти это. Оказывается, чем больше ток, протекающий
по проводу, тем больше энергии тратится впустую. Сделав ток
как можно меньше, мы можем свести энергию к минимуму — и мы делаем
это, делая напряжение как можно больше. Электростанции вырабатывают электроэнергию с напряжением
около 14 000 вольт, но они используют трансформаторы (
устройства повышения или понижения напряжения), чтобы «повысить» напряжение в
три-пятьдесят раз, примерно до 44 000–750 000
вольт, прежде чем отправить его по линиям электропередач в города,
где оно будет потребляться. Обычно электроэнергия передается на большие
расстояния с помощью воздушных линий, натянутых между опорными рамами,
называемыми опорами ; это намного быстрее и дешевле, чем закапывать линии под землю,
что обычно делается в городах. Опоры питают
подстанции , которые фактически являются мини-пунктами питания, предназначенными для питания, возможно,
большого завода или небольшого жилого района. Подстанция использует
«понижающие» трансформаторы для преобразования электроэнергии высокого напряжения
от линии электропередачи в одно или несколько более низких напряжений, подходящих для
предприятий, офисов, домов или любых других целей.

Фото: Линии электропередач и трансформаторы на подстанции в Арканзасе, США.
Фото предоставлено Министерством энергетики США (Flickr).

Как работает электросеть

Подстанции получили свое название со времен, когда электростанции снабжали очень четко определенные локальные области:
каждая станция питала несколько близлежащих подстанций, которые передавали электроэнергию
в дома и другие здания. Проблема с этой
схемой заключается в том, что если электростанция внезапно выходит из строя, многие дома
остаются без электричества. Есть и другие проблемы с
независимой работой электростанций. Одна электростанция может производить
электроэнергию очень дешево (возможно, потому что она очень новая и использует
природный газ), в то время как другая (использующая старую технологию на основе угля)
может быть намного дороже, поэтому имеет смысл использовать
более дешевую станцию, когда это возможно. К сожалению, электростанции не похожи на автомобильные
двигатели: они должны работать все время; как правило, они не могут запускаться и
останавливаться одновременно, когда мы этого хотим. По этим и другим причинам
электроэнергетические компании обнаружили, что имеет смысл объединить все
свои электростанции в обширную сеть, называемую сеткой . Высокотехнологичные
компьютеризированные центры управления используются для увеличения или
уменьшения производительности станций в соответствии со спросом каждую минуту
и ​​каждый час (
например, больше станций будут работать на полную мощность вечером, когда большинство людей готовят себе ужин).

Какое будущее ждет электростанции?

Нам всегда будет нужна энергия, и особенно электричество — очень
универсальный вид энергии, который мы можем легко использовать множеством разных способов, — но
это не значит, что нам всегда будут нужны электростанции, подобные тем, что у нас
есть сегодня. Экологическое давление уже заставляет многие
страны закрывать угольные электростанции, которые производят наибольшие
выбросы углекислого газа (ответственные за изменение климата и глобальное потепление). Хотя атомные электростанции могут предложить самый чистый путь к низкоуглеродному будущему,
существуют серьезные опасения относительно того, сможем ли мы построить их достаточно быстро
или преодолеть страхи людей по поводу загрязнения и безопасности (независимо от того,
рациональны ли эти страхи или нет).

Рывок за бензином

В краткосрочной перспективе совершенно ясно, что нас ждет в будущем:
во всем мире наблюдается «гонка за газом». Большинство новых электростанций
теперь используют природный газ, который значительно
дешевле, относительно распространен (пока что) и производит меньше выбросов,
чем другие станции, работающие на ископаемом топливе. Газовые станции также
быстрее и дешевле строить, чем более сложные альтернативы, такие как
атомные станции, и они сталкиваются с меньшим общественным сопротивлением. В 2011 году Соединенные Штаты производили около четверти
своей электроэнергии из природного газа; к 2021 году этот показатель вырос до более чем трети (38 процентов).

Диаграмма: Рывок к газу. За последнее десятилетие или около того в Соединенных Штатах произошел значительный переход от угольных электростанций (синий) к природному газу (красный), в то время как атомная энергетика (желтый) и гидроэнергетика (зеленый) продолжают обеспечивать чуть более четверти всей электроэнергии. Ветряная (фиолетовая) и солнечная (оранжевая) энергетика значительно выросла, но с очень небольшой базы, поэтому даже сейчас они по-прежнему обеспечивают лишь около 13 процентов всей электроэнергии. Эта диаграмма показывает распределение источников выработки электроэнергии в период с 2007 (внутреннее кольцо) по 2020 год (внешнее кольцо) и была составлена ​​с использованием данных за июль 2021 года из Electric Power Monthly, Управления энергетической информации США, доступ к которым был получен 27 октября 2021 года (и предыдущие версии этого документа). Примечания: 1) Гидроэлектростанции сокращены для учета гидроаккумулирующих установок. 2) На диаграмме показано только производство электроэнергии коммунальными предприятиями и не включены небольшие фотоэлектрические и другие небольшие установки. 3) «Ветер и другие источники энергии» включают все возобновляемые источники энергии, за исключением солнечной и гидроэлектроэнергии.

ТЭЦ

Другие тенденции также становятся важными, в частности, переход
к более мелким заводам, работающим на комбинированном производстве тепла и электроэнергии (ТЭЦ).
Отчет Управления энергетической информации Министерства энергетики США за 2016 год показал, что
у США есть потенциал построить почти 300 000 небольших ТЭЦ
(многие из которых будут просто обеспечивать электроэнергией отдельные здания или комплексы), что
позволит избежать необходимости строить около 100 крупных угольных или атомных
электростанций и производить около 240 ГВт электроэнергии. Поскольку некоторые из них будут работать на биомассе (например, деревьях или
«энергетических культурах», выращенных специально для этой цели) или отходах, это
иллюстрирует три различные тенденции в действии: переход к более мелким
заводам и их большему количеству, а также переход от ископаемого топлива к
возобновляемым источникам энергии.

Возобновляемые источники энергии

В долгосрочной перспективе будущее должно быть возобновляемым, поскольку
запасы ископаемого топлива либо закончатся, либо (что более вероятно) будут сочтены слишком грязными или
дорогими для использования. Мы уже видели огромное расширение ветроэнергетики за
последние пару десятилетий, а солнечная энергетика, вероятно,
резко возрастет в ближайшие годы. Большой недостаток, как я
уже упоминал ранее, заключается в том, что вам нужно по крайней мере 1000 ветряных турбин (мощностью
2 МВт) или 400 000 солнечных крыш (мощностью 5 кВт), работающих на максимальной мощности, чтобы производить столько же
энергии, сколько одна большая электростанция (2 ГВт), поэтому, если мы собираемся перейти
от электростанций к зеленой энергии, нам нужно ее очень много,
покрывающей огромную площадь. Какими бы недостатками ни обладали электростанции,
они, безусловно, используют землю очень эффективно (хотя можно утверждать, что
следует также учитывать огромные земельные отводы угольных шахт или нефтяных и газовых месторождений).

Диаграммы: Изменение характера электростанций. Эти две диаграммы разбивают общее количество электростанций электроэнергетической отрасли США по типу топлива или другой энергии, которую они используют в 2003 и 2019 годах. Вы можете видеть, что произошло значительное сокращение угольных и нефтяных электростанций, небольшое увеличение электростанций на природном газе (и других видах газа) и огромный рост возобновляемых источников энергии (хотя гидроэлектростанции остаются примерно такими же). Нарисовано с использованием данных за декабрь 2019 года из
How many and what type of power plants are there in the United States?, US Energy Information Administration, 18 ноября 2020 года (и
более ранних версий того же документа для более ранних данных).

Эффективность и управление спросом

Некоторые утверждают, что мы можем сэкономить на строительстве электростанций
за счет энергоэффективности, например, используя более эффективные бытовые
приборы и лучшую изоляцию. Многие коммунальные компании
приняли эту идею с помощью простых инициатив, таких как раздача бесплатных
энергосберегающих лампочек домовладельцам. Теоретически, если вы раздадите
50 миллионов энергосберегающих ламп, и каждая из них сэкономит 50 Вт электроэнергии, вы
полностью избежите необходимости строить одну большую (2,5 ГВт) электростанцию. (Эту идею
иногда называют «негаваттами», слово, придуманное Эмори Ловинсом из Института Роки Маунтин.) Мы также можем сократить потребность в новых
электростанциях, более разумно храня энергию и управляя спросом, чтобы
у нас не было таких огромных пиков потребления энергии. К сожалению, этот
подход ведет нас только до определенного момента. Проблема в том, что наши общие
потребности в энергии постоянно растут, и наша потребность в электричестве
также обязательно вырастет, поскольку мы переходим от автомобилей и дизельных поездов на ископаемом топливе
к электрическим альтернативам. Более того, существует проблема
растущих потребностей в энергии в развивающихся странах: люди в этих
странах не могут экономить энергию, которую они еще не используют, и было бы
безнравственно пытаться остановить их от использования энергии, чтобы выбраться из нищеты. В конечном счете,
миру в целом понадобится использовать гораздо больше энергии и
электричества, и, хотя эффективность играет решающую
роль, это лишь малая часть решения.

В краткосрочной перспективе рывок в сторону газа помогает, если он отдаляет нас от угля. ТЭЦ также помогает, если повышает
эффективность, но не если она запирает нас в ископаемом топливе на десятилетия вперед
. Улавливание и хранение углерода (CCS) может помочь нам сделать старые
угольные электростанции более экологичными, но это остается
в значительной степени непроверенным и дорогим. Долгосрочное будущее, безусловно, должно
быть возобновляемым, а энергоэффективность может сделать более экологичное будущее,
работающее на солнце и ветре, более достижимым. Тем не менее, сейчас
и в течение десятилетий обычные электростанции, работающие на ископаемом топливе,
останутся основой нашего энерго- и электроснабжения. Мы
должны восхищаться ими, уважать их за то, что они обеспечивают нашу жизнь энергией, и сделать
их настолько чистыми и зелеными, насколько это возможно.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Электричество
• Генераторы электроэнергии
• Энергия
• Магнетизм
• Возобновляемая энергия
• Паровые турбины

Видео

Экскурсии по электростанциям

• Как сделать электричество из угля: отличная 10-минутная анимация от FirstEnergy и EDP Video объясняет различные этапы производства энергии и содержит множество интересных фактов и статистики. Есть хорошее объяснение того, как работают градирни и почему электростанции теперь используют скрубберы дымовых труб для снижения загрязнения воздуха.
• Виртуальный тур по угольной электростанции MidAmerican Energy: простой 7-минутный тур, наглядно объясняющий путь от угля к электричеству. Отлично подходит для молодых студентов.
• Экскурсия по электростанции Duke Energy: в отличие от двух очень упрощенных анимаций выше, это настоящая видео- и фотоэкскурсия по настоящей газовой электростанции (электростанция Duke Energy в Фейете, Мейсонтаун, Пенсильвания), охватывающая диспетчерскую, градирни, паровые турбины, генераторы и распределительный пункт.

Другие полезные видео

• Power Lines, автор Алом Шаха, National STEM Centre. В этом коротком видео Алом демонстрирует, почему электростанции передают электричество под высоким напряжением.
• BBC News: Как вода помогает освещать наши дома: Стив Уэйгуд из компании Npower объясняет, какую важную роль вода играет в производстве электроэнергии на электростанциях, используя в качестве примера электростанцию ​​Дидкот в Великобритании.

Статьи

• Слишком много новых угольных электростанций запланировано для достижения климатической цели в 1,5°C, заключает отчет Фионы Харви. The Guardian, 26 апреля 2022 г. Почему в теплеющем мире все еще добавляются новые угольные электростанции?
• Место рождения сети переменного тока: электростанция в Фолсоме стала первой, передающей электроэнергию на большие расстояния. Автор: Джоанна Гудрич, IEEE Spectrum, 8 сентября 2021 г. Как генерация электроэнергии стала более отдаленной перспективой.
• Как Нью-Йорк получает электроэнергию, Эмили С. Руб. The New York Times, 10 февраля 2017 г. Как электричество попадает с электростанции на севере штата в ваш дом в городе?

Книги

Если вам понравилась эта статья, вам могут понравиться некоторые из моих детских книг на схожие темы:

• «Энергия» Криса Вудфорда.
  Нью-Йорк/Лондон, Англия: Dorling Kindersley, 2007: Очень яркая и красочная книга об энергии в нашей жизни — что это такое, откуда она берется и как мы используем ее по-разному. Возраст 9–12 лет.
• Power and Energy Криса Вудфорда.
  Нью-Йорк: Facts on File, 2004. Это более подробная 96-страничная книга о том, как люди использовали энергию на протяжении всей истории. Подходит для большинства возрастов от 10+.
• Cool Science: Experiments with Electricity and Magnetism by Chris Woodford. Нью-Йорк: Гарет Стивенс, 2010: Узнайте об электричестве, проводя простые и безопасные эксперименты! Возраст 9–12 лет.
• Science Pathways: Electricity Криса Вудфорда. Нью-Йорк: Rosen, 2013 (ранее издано Brownbirch, 2004): Это простая история о том, как люди открыли электричество в древние времена и постепенно научились использовать его для своих повседневных нужд. Возраст 9–12 лет.