Generarea de energie electrică este procesul de obținere a energiei electrice din surse primare de energie . O caracteristică a electricității este că nu este o energie primară, prezentă în mod liber în natură în cantități semnificative, și trebuie produsă. Producția de energie electrică are loc, de regulă, cu ajutorul generatoarelor din întreprinderile industriale, care se numesc centrale electrice .
În industria energiei electrice , generarea de energie electrică este prima etapă în livrarea de energie electrică către utilizatorii finali, celelalte etape sunt transportul , distribuția , acumularea și recuperarea energiei la centralele cu acumulare prin pompare .
Principiul de bază al generării de energie electrică a fost descoperit în anii 1820 și începutul anilor 1830 de către omul de știință britanic Michael Faraday . Metoda sa, care este folosită și astăzi, este aceea că într-un circuit conductor închis, atunci când acest circuit se mișcă între polii unui magnet , apare un curent electric.
Odată cu dezvoltarea tehnologiei, următoarea schemă de producere a energiei electrice a devenit viabilă din punct de vedere economic. Generatoarele electrice instalate într-o centrală electrică generează central energie electrică sub formă de curent alternativ . Cu ajutorul transformatoarelor de putere se mărește tensiunea electrică a curentului alternativ generat, ceea ce permite transmiterea acestuia prin fire cu pierderi reduse. În punctul de consum de energie electrică, tensiunea de curent alternativ este redusă prin transformatoare descendente și transferată către consumatori. Electrificarea , împreună cu metoda Bessemeriană de fabricare a oțelului, a devenit baza celei de-a doua revoluții industriale . Invențiile majore care au făcut ca electricitatea să fie disponibilă pe scară largă și indispensabilă au fost Thomas Alva Edison și Nikola Tesla .
Generarea de energie electrică la centralele electrice a început în 1882, când la stația Pearl Street din New York [1] un motor cu abur alimenta un dinam care producea curent continuu pentru a lumina Pearl Street . Noua tehnologie a fost adoptată rapid de multe orașe din întreaga lume, care și-au transformat rapid luminile stradale în energie electrică. La scurt timp după aceea, lămpile electrice au fost utilizate pe scară largă în clădiri publice, fabrici și pentru a alimenta transportul public (tramvaie și trenuri). De atunci, producția de energie electrică în lume a crescut constant.
Principala modalitate de a produce energie electrică este generarea acesteia de către un generator electric situat pe aceeași axă cu turbina și transformarea energiei cinetice a turbinei în energie electrică. În funcție de tipul de unitate de lucru care rotește turbina, centralele electrice sunt împărțite în hidraulice și termice (inclusiv nucleare).
Hidroenergia este o ramură a producerii de energie electrică dintr-o sursă regenerabilă care utilizează energia cinetică a fluxului de apă pentru a produce energie electrică . Întreprinderile de producție de energie din această zonă sunt centralele hidroelectrice (HPP), care sunt construite pe râuri.
În timpul construcției unei centrale hidroelectrice cu ajutorul unor baraje pe râuri, se creează artificial o diferență de niveluri ale suprafeței apei (în amonte și în aval ). Apa, sub acțiunea gravitației, se revarsă din amonte în aval, prin conducte speciale, în care sunt amplasate turbine de apă, ale căror pale sunt rotite de curgerea apei. Turbina rotește rotorul coaxial al generatorului electric.
Centralele cu acumulare prin pompare (PSPP) sunt un tip special de centrală hidroelectrică . Nu pot fi considerate pură capacitate de generare, deoarece consumă aproape la fel de multă energie electrică cât generează, dar astfel de stații sunt foarte eficiente în descărcarea rețelei în orele de vârf.
Întreprinderile industriei de energie termică sunt centrale termice (TPP), unde energia termică a arderii combustibililor fosili este transformată în energie electrică. Centralele termice sunt de două tipuri principale:
Condensare (CPP-uri, pentru care în trecut se folosea abrevierea GRES - centrala electrică raională de stat). O centrală termică se numește centrală electrică în condensare, care este concepută exclusiv pentru producerea de energie electrică. La IES, căldura care a fost obținută prin arderea combustibilului încălzește apa din generatoarele de abur , iar vaporii de apă supraîncălziți rezultațisunt alimentați într-o turbină cu abur , pe aceeași axă cu care se află un generator electric . În turbină, energia internă a aburului este transformată în energie mecanică, care, într-un generator electric, creează un curent electric furnizat rețelei electrice. Aburul evacuat este evacuat în condensator. De acolo, apa condensată este pompată înapoi la generatorul de abur de către pompe.
Cogenerare (centrale termice, centrale termice). O centrală termică se numește centrală termică, în care o parte din energia termică este direcționată către generarea de energie electrică, iar o parte este furnizată pentru încălzirea zonelor rezidențiale din jur. Generarea combinată de căldură și electricitate în centralele de cogenerare îmbunătățește semnificativ eficiența combustibilului în comparație cu generarea separată de energie electrică în centralele electrice în condensare și căldură pentru încălzire în centralele de cazane domestice
Schemele tehnologice ale IES și CHP sunt similare. Diferența fundamentală dintre CHP și IES este că o parte din aburul generat în cazan este utilizat pentru nevoile de alimentare cu căldură.
Energia nucleară folosește energia nucleară pentru a produce energie și căldură . Centralele nucleare sunt centrale nucleare (CNP). Principiul producerii de energie electrică la centralele nucleare este același ca și la centralele termice. Numai în acest caz, energia termică este eliberată nu prin arderea combustibilului organic, ci ca rezultat al unei reacții nucleare într-un reactor nuclear . Schema suplimentară de generare a energiei electrice nu este fundamental diferită de o centrală termică: generatorul de abur primește căldură din reactor și produce abur, care intră în turbina cu abur etc. Datorită unor caracteristici de proiectare ale centralelor nucleare, este cost- eficient să le folosească numai pentru producerea de energie electrică, deși au fost efectuate unele experimente în încălzirea nucleară .
Industria alternativă de energie electrică include metode de generare a energiei electrice care au o serie de avantaje față de cele „tradiționale” (menționate mai sus), dar din diverse motive nu au fost utilizate pe scară largă. Principalele tipuri de energie alternativă sunt:
Energia eoliană este utilizarea energiei cinetice a vântului pentru a genera energie electrică. Interesant este că, conform legii lui Betz , eficiența unei turbine eoliene nu poate fi mai mare de 59,3%
Energia solară (energia solară) este producerea de energie electrică din energia luminii solare prin efect fotoelectric . Panourile solare transformă lumina solară direct în energie electrică. Deși lumina soarelui este liberă și abundentă, generarea de electricitate pe scară largă din centralele solare este mai costisitoare decât generarea de electricitate din generatoarele electrice. Acest lucru se datorează costului ridicat al panourilor solare, care, totuși, este în continuă scădere. Acum sunt disponibile în comerț bateriile cu o eficiență de conversie de aproape 30%. Eficiența de peste 40% a fost demonstrată în sistemele experimentale [2] . Până de curând, dispozitivele fotovoltaice au fost folosite cel mai des în stațiile orbitale spațiale , în zonele slab populate unde nu există o rețea electrică comercială disponibilă sau ca sursă suplimentară de energie electrică pentru case individuale și întreprinderi. Progresele recente în eficiența producției și tehnologia fotovoltaică, combinate cu subvențiile determinate de preocupările de mediu, au accelerat foarte mult implementarea panourilor solare. Capacitatea instalată crește cu 40% pe an datorită creșterii producției de energie electrică în Maroc [3] , Germania, China, Japonia și SUA. Dezavantajele comune ale energiei eoliene și solare sunt nevoia de a crea capacități de stocare pentru funcționarea pe timp de noapte (pentru energia solară) sau pe timp de calm (pentru energia eoliană).
Energia geotermală este producția industrială de energie, în special energie electrică, din izvoare termale, apele subterane termale. De fapt, stațiile geotermale sunt centrale termice obișnuite, unde în loc de un cazan sau un reactor nuclear, sursele de căldură subterane din măruntaiele Pământului sunt folosite ca sursă de căldură pentru încălzirea aburului. Dezavantajul unor astfel de stații este limitările geografice ale aplicării lor: este rentabil să construiești stații geotermale numai în regiunile cu activitate tectonă, adică acolo unde aceste surse naturale de căldură sunt cele mai accesibile.
Energia cu hidrogen - utilizarea hidrogenului ca combustibil energetic are perspective mari: hidrogenul are o eficiență de ardere foarte mare, resursa sa este practic nelimitată, arderea hidrogenului este absolut ecologică (produsul arderii într-o atmosferă de oxigen este apa distilată). Cu toate acestea, energia cu hidrogen nu poate satisface pe deplin nevoile omenirii din cauza costului ridicat de producere a hidrogenului pur și a problemelor tehnice de transport al acestuia în cantități mari.
De asemenea, merită remarcat astfel de tipuri alternative de hidroenergie: energia mareelor și a valurilor . În aceste cazuri, energia cinetică naturală a mareelor și, respectiv, a valurilor vântului, este utilizată pentru a produce energie electrică. Răspândirea acestor tipuri de industrie a energiei electrice este împiedicată de necesitatea coincidenței mai multor factori la proiectarea unei centrale electrice: este nevoie de o coastă pe care mareele (și, respectiv, valurile mării) să fie suficient de puternice și stabile.
Generarea de energie electrochimică are loc prin conversia directă a energiei legăturilor chimice în electricitate, cum ar fi într-o baterie . Generarea de energie electrochimică este importantă în aplicațiile portabile și mobile. În prezent, cea mai mare parte a energiei electrochimice provine din baterii [4] . Celulele primare, cum ar fi bateriile convenționale zinc-carbon , acționează direct ca surse de energie, în timp ce celulele secundare (bateriile) sunt folosite pentru a stoca electricitate , nu pentru a o genera. Sistemele electrochimice deschise, cunoscute sub numele de celule de combustibil , pot fi folosite pentru a extrage energie din combustibili naturali sau sintetici.
În locurile în care există multă sare și apă dulce, este posibil să se creeze centrale osmotice .
Construcția de instalații de energie electrică este foarte costisitoare, perioada de amortizare a acestora este lungă. Eficiența economică a unei anumite metode de producere a energiei electrice depinde de mulți parametri, în primul rând de cererea de energie electrică și de regiune. În funcție de raportul dintre acești parametri, prețurile de vânzare non-electricitate variază, de asemenea, de exemplu, prețul energiei electrice în Venezuela este de 3 cenți pe kWh, iar în Danemarca - 40 de cenți pe kWh.
Alegerea tipului de centrală se bazează în primul rând pe luarea în considerare a nevoilor locale de energie electrică și a fluctuațiilor cererii. În plus, toate rețelele electrice au sarcini diferite, dar centralele care sunt conectate la rețea și funcționează continuu trebuie să asigure sarcina de bază - consumul minim zilnic. Sarcina de bază poate fi asigurată numai de centrale termice și nucleare mari, a căror putere poate fi reglată în anumite limite. În centralele hidroelectrice, capacitatea de a controla puterea este mult mai mică. .
Centralele termice sunt construite de preferință în zone cu o densitate mare de consumatori industriali. Impactul negativ al poluării cu deșeuri poate fi minimizat, deoarece centralele electrice sunt de obicei situate departe de zonele rezidențiale. Tipul de combustibil ars este esențial pentru o centrală termică. Cărbunele este de obicei cel mai ieftin combustibil pentru centralele termice. Dar dacă prețul gazelor naturale scade sub o anumită limită, utilizarea lui pentru producerea de energie electrică devine mai preferabilă decât generarea de energie electrică prin arderea cărbunelui [6] .
Principalul avantaj al centralelor nucleare este capacitatea mare a fiecărei unități de putere cu o dimensiune relativ mică și un grad ridicat de compatibilitate cu mediul, cu respectarea strictă a tuturor regulilor de funcționare. Cu toate acestea, pericolele potențiale din defecțiunea centralelor nucleare sunt foarte mari.
Centralele hidroelectrice sunt de obicei construite în zone îndepărtate și sunt extrem de prietenoase cu mediul, dar capacitatea lor variază foarte mult în funcție de sezon și nu pot regla puterea de ieșire a rețelei electrice pe o gamă largă.
Costul producerii de energie electrică din surse regenerabile (cu excepția hidroenergiei) a scăzut recent în mod semnificativ. Costul energiei electrice produse din energia solară, energia eoliană, energia mareelor este în multe cazuri deja comparabil cu costul energiei electrice produse în centralele termice. Ținând cont de subvențiile de stat, construcția de centrale electrice care funcționează cu surse regenerabile este fezabilă din punct de vedere economic. Cu toate acestea, principalul dezavantaj al unor astfel de centrale electrice este natura inconsecventă a muncii lor și incapacitatea de a-și regla puterea.
În 2018, generarea de energie electrică la parcuri eoliene offshore a devenit mai ieftină decât generarea de energie electrică la centralele nucleare [7] .
Diferențele dintre țările producătoare de energie electrică afectează preocupările de mediu. În Franța, doar 10% din energie electrică este generată din combustibili fosili, în SUA această cifră ajunge la 70%, iar în China - până la 80% [8] . Producția de energie electrică ecologică depinde de tipul de centrală electrică. Majoritatea oamenilor de știință sunt de acord că emisiile de poluanți și de gaze cu efect de seră de la generarea de energie electrică pe bază de combustibili fosili reprezintă o parte semnificativă a emisiilor globale de gaze cu efect de seră; în Statele Unite, generarea de electricitate reprezintă aproape 40% din emisii, cea mai mare dintre orice sursă. Emisiile din transport sunt mult în urmă, reprezentând aproximativ o treime din producția de dioxid de carbon din SUA [9] . În Statele Unite, arderea combustibililor fosili pentru a genera electricitate este responsabilă pentru 65% din toate emisiile de dioxid de sulf , componenta principală a ploii acide [10] . Generarea de energie electrică este a patra cea mai mare sursă combinată de NOx , monoxid de carbon și particule în particule din SUA [11] . În iulie 2011, Parlamentul Marii Britanii a afirmat că, la producția de un kilowatt-oră, „emisiile (de dioxid de carbon) de la energia nucleară sunt de aproximativ trei ori mai mici decât cele de la centralele solare, de patru ori mai mici decât de la arderea cărbunelui curat și de 36 de ori mai mic decât la arderea cărbunelui convențional” [12] .