Теплоэнергетика – это отрасль промышленности, которая занимается преобразованием теплоты в другие виды энергии. Она объединяет электростанции, работающие на ископаемом топливе. Уголь, нефть, природный газ являются наиболее часто используемыми источниками энергии в мире. Например, в РФ 358 тепловых станций вырабатывают более 60% всей генерируемой электроэнергии. Они по-прежнему имеют преимущество по сравнению с электростанциями, работающими от возобновляемых источников.

Ископаемое топливо: характеристика, проблематика

Природные запасы ископаемого топлива – это модифицированные продукты распада животных и растений, погибших миллионы лет назад. Когда они сжигаются на специализированных предприятиях, выделяется тепловая энергия, которая применяется для производства электрической.

Сегодня переход на чистые возобновляемые источники энергии является политической задачей всего мира. Это обусловлено тем, что ископаемое топливо будет исчерпано в течение последующих 200 лет, а мировые поставки сырой нефти и природного газа, по оценкам специалистов, иссякнут в течение 100 лет.

Но есть и преимущества ископаемого топлива:

• Высокая эффективность. Оно может быть добыто относительно дешевым способом, а транспортировка его сравнительно быстра и удобна.
• Технологии, необходимые для генерирования электроэнергии, давно отработаны, оборудование является надёжным, его легче приобрести и эксплуатировать, чем, например, устройства для солнечных или ветровых электростанций.

Помимо того, что запасы ископаемого топлива постепенно истощаются, главным недостатком процесса извлечения энергии этим способом является негативное воздействие на окружающую среду. Горение сопровождается образованием тяжелых твердых частиц и высоким выбросом углекислого газа.

Каменный уголь более качественный, но многие электростанции используют бурый, который добывать намного дешевле. Количество получаемой энергии в расчете на 1 кг веса бурого угля по сравнению с каменным примерно в 3 раза ниже (первого – 3 кВт⋅ч на кг, второго – 9 кВт⋅ч на кг). Поэтому на электростанциях, работающих на буром угле, необходимо сжигать тройную массу на единицу энергии.

Для уменьшения ущерба, наносимого окружающей среде, ТЭС имеют высотные дымоходы, которые рассеивают эти частицы и локально уменьшают их вредное влияние. Кроме того, на электростанциях устанавливаются дымоходные фильтры.

Как функционируют тепловые электростанции

Принцип действия тепловых электростанций практически одинаков и не зависит от вида ископаемого топлива. Отличается только предварительная обработка и конструкция горелок и печей.

Поступающее топливо сжигается, а вода в котлах нагревается до кипения. Образующийся пар приводит в движение турбину, которая связана с ротором генератора и вызывает его вращение. Напряжение генерируемого переменного тока повышается трансформаторами, а затем транспортируется по линиям электропередачи и через сеть понижающих подстанций поступает к потребителям.

Большая тепловая электростанция состоит из одного или нескольких блоков, которые могут работать в значительной степени независимо друг от друга. Каждый имеет свое оборудование – паровые турбины и электрогенераторы.

КПД тепловых электростанций

Эффективность тепловых электростанций ограничена. Наибольший КПД – 60%. Он достигается на парогазовых электростанциях, а на современных угольных – ниже 50%, на старых – всего 40%. Указанные показатели эффективности применимы к работе при полной нагрузке. При частичной КПД может значительно снизиться.

Практически все крупные электростанции, за исключением ГЭС, являются тепловыми, во многих странах они производят большую часть электроэнергии. Из-за их ограниченной эффективности образуется значительное количество отработанного тепла, использование которого на месте возможно только в малом объеме. Поэтому оно выбрасывается в атмосферу через градирни, иногда через охлаждающую воду в реки.

Существуют ТЭС только для выработки электроэнергии и ТЭЦ – теплоэлектроцентраль. Последние предназначены также для использования вырабатываемого тепла посредством его транспортировки в отопительные системы и трубопроводы горячего водоснабжения. КПД ТЭЦ намного выше, он может превышать 70%.

История тепловой энергетики и перспективы развития

Первую теплоэлектростанцию построил немецкий инженер Зигмунд Шуккерт в Баварии в 1878 году. С ее помощью освещался грот в саду замка Линдерхоф. В 1882 году были введены в эксплуатацию электростанция в Лондоне, которая использовалась для электрического освещения, и в Нью-Йорке (500 кВт). На них применялись поршневые паровые двигатели.

Изобретение паровой турбины позволило строить более крупные и эффективные установки, и с 1905 года тепловые электростанции стали возводиться только с турбинами.

В России первая тепловая электростанция общего пользования мощностью 35 кВт была построена в 1883 году в Санкт-Петербурге. Она предназначалась для подачи электроэнергии на освещение Невского проспекта. Московская ГЭС-1 (городская электростанция) появилась в 1897 году. Ее мощность составляла 3,7 мВт.

Структура тепловых электростанций в России на сегодняшний день:

• с паровыми турбинами – 79% от общей мощности;
• с парогазовыми агрегатами – 15,5%;
• с газотурбинными агрегатами – 4,8%;
• с дизельными и газопоршневыми установками – 0,7%.

Переход к выработке электроэнергии от возобновляемых источников не так прост, хотя это желаемое направление развития электроэнергетики для человечества. В ближайшее время отказаться от тепловой энергетики будет невозможно, и она сохранит свою доминирующую роль.

Главным направлением развития этой отрасли является разработка прогрессивных технологий, которые позволят снизить количество вредных выбросов в атмосферу, а также повысить эффективность работы теплоэлектростанций.