Значение, особенности, технологическая структура и топливная база электроэнергетики

1. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА - БАЗОВАЯ ОТРАСЛЬ  
РОССИЙСКОЙ ЭКОНОМИКИ

1.1. Значение, особенности, технологическая структура и  топливная база электроэнергетики

Значение электроэнергии для жизнедеятельности населения и функционирования экономики таково, что в современном мире обойтись без нее практически невозможно. Электроэнергия - товар, представляющий собой одну из самых значительных ценностей среди существующих товаров и услуг. Еще в ХХ в. электроэнергетика стала ключевой отраслью экономики в подавляющем большинстве стран. Электроэнергия - важный фактор основных социально-экономических процессов в современном мире: жизнеобеспечения населения и потребления домохозяйств; производства товаров и услуг; национальной безопасности; охраны окружающей среды.

Электроэнергию можно уподобить воздуху, который редко замечают, но без которого невозможна жизнь. Если прекращается подача электроэнергии, вы обнаруживаете, что самые простые, каждодневно испытываемые удобства вдруг становятся недоступными, а средства, заменявшие их еще 100 лет назад, уже давно вышли из употребления. Отрасли экономики, не использующие стационарных источников электроэнергии и не работающие в единой энергосистеме, в современной экономике скорее исключение - например, автомобильный, водный и авиационный транспорт, растениеводство в сельском хозяйстве или геологоразведка. Но и в этих отраслях используются технологические процессы, требующие источников электроэнергии. Без электроэнергии производство большинства продуктов было бы невозможно или обходилось бы в десятки раз дороже.

В каком-то смысле электроэнергия - стержень современной технико-экономической цивилизации. Еще сравнительно недавно, лет 150 назад, электроэнергия отсутствовала в экономической жизни. Ведущим источником энергии выступала живая сила человека и животных. Только в XVI веке началось использование энергии движения воды в промышленных целях (т.н. «вододействующие заводы»), а в XVIII в. появилась паровая машина, в середине XIX в. - двигатель внутреннего сгорания. Изобретение в XIX в. технологий генерации электрической энергии создало возможность для широкого распространения электромеханизмов, резко повысило производительность труда на многих производственных операциях. Однако оборудование по генерации энергии приходилось размещать рядом с устройствами, ее потребляющими, поскольку удобных и экономичных технологий для передачи энергии не было.

Технической революцией, изменившей лицо экономики всех стран, стало изобретение технологии трансформации электроэнергии по напряжению и силе тока, передачи ее на большие расстояния. Это сделало размещение производства энергии, других товаров и услуг в значительной степени независимым друг от друга и обеспечило рост эффективности экономики.

Создание в ХХ в. национальных и региональных электроэнергетических систем закрепило переход к индустриальной стадии развития мировой экономики. Экономический рост в основном базировался на экстенсивных факторах: расширении ресурсной базы и увеличении занятости. Почти до последней трети XX в. технический прогресс и рост производства сопровождались увеличением потребления энергии, ростом энерговооруженности труда.

Электроэнергетика - базовая инфраструктурная отрасль, в которой реализуются процессы производства, передачи, распределения электроэнергии. Она имеет связи со всеми секторами экономики, снабжая их произведенными электричеством и теплом и получая от некоторых из них ресурсы для своего функционирования (рис. 1.1.1).1

Рис. 1.1.1. Электроэнергетика в современной экономике

Роль электроэнергетики в ХХI в. остается исключительно важной для социально-экономического развития любой страны и мирового сообщества в целом. Энергопотребление тесно корреспондирует с уровнем деловой активности и с уровнем жизни населения. Научно-технический прогресс и развитие новых секторов и отраслей экономики, совершенствование технологий, повышение качества и улучшение условий жизни населения предопределяют расширение сфер использования электроэнергии и усиление требований к надежному и бесперебойному энергоснабжению.

Особенности электроэнергетики как отрасли обуславливаются спецификой ее основного продукта - электроэнергии, а также характером процессов ее производства и потребления.

Электроэнергия по своим свойствам подобна услуге: время производства совпадает со временем потребления. Однако это подобие не является неотъемлемым физическим свойством электроэнергии - ситуация изменится, если появятся эффективные технологии хранения электроэнергии в значительных масштабах. Пока это в основном аккумуляторы разных типов, а также гидроаккумулирующие станции.

Электроэнергетика должна быть готова к выработке, передаче и поставке электроэнергии в момент появления спроса, в том числе в пиковом объеме, располагая для этого необходимыми резервными мощностями и запасом топлива. Чем больше максимальное (хотя и кратковременное) значение спроса, тем больше должны быть мощности, чтобы обеспечить готовность к оказанию услуги.

Невозможность хранения электроэнергии в промышленных масштабах предопределяет технологическое единство всего процесса производства, передачи и потребления электроэнергии. Вероятно, это единственная отрасль в современной экономике, где непрерывность производства продукции должна сопровождаться таким же непрерывным ее потреблением. В силу этой особенности в электроэнергетике существуют жесткие технические требования к каждому этапу технологического цикла производства, передачи и потребления продукта, в том числе по частоте электрического тока и напряжению.

Принципиальной особенностью электрической энергии как продукта, отличающей ее от всех других видов товаров и услуг, является то, что ее потребитель может повлиять на устойчивость работы производителя. Последнее обстоятельство, по понятным причинам, может иметь большое число совершенно неожиданных следствий.

Очевидно, потребности экономики и общества в электрической энергии существенно зависят от погодных факторов, от времени суток, от технологических режимов различных производственных процессов в отраслях-потребителях, от особенностей домашних хозяйств и даже от программы телепередач. Различия между максимальным и минимальным уровнями потребления определяет потребность в так называемых резервных мощностях, которые включаются только тогда, когда уровень потребления достигает определенного значения.

Экономические характеристики производства электроэнергии зависят от типа электростанции и вида технологического топлива, от степени ее загрузки и режима работы. При прочих равных условиях в наибольшей степени востребуется электроэнергия тех станций, которые генерируют ее в нужное время и в нужном объеме с наименьшими издержками.

С учетом всех этих особенностей в электроэнергетике необходимо и целесообразно объединение устройств, производящих энергию - генераторов, в единую энергетическую систему, что обеспечивает сокращение суммарных издержек производства и уменьшает потребность в резервировании производственных мощностей. Эти же свойства обуславливают наличие в отрасли системного оператора, который выполняет координирующие функции. Он регулирует график и объем как производства, так и потребления электроэнергии. Решения системного оператора принимаются на основании рыночных сигналов от производителей о возможностях и стоимости производства электроэнергии, от потребителей - о спросе на нее в определенные временные интервалы. В конечном счете, системный оператор должен обеспечить надежную и безопасную работу энергосистемы, эффективное удовлетворение спроса на электроэнергию. Его деятельность отражается на производственных и финансовых результатах всех участников рынка электроэнергии, а также на их инвестиционных решениях.

Большая часть производства электроэнергии в мире осуществляется на электрических станциях трех типов:

1) на тепловых электростанциях (ТЭС), где тепловая энергия, образующаяся при сжигании органического топлива (уголь, газ, мазут, торф, сланцы и т.д.), используется для вращения турбин, приводящих в движение электрогенератор, преобразуясь, таким образом, в электроэнергию. Опыт продемонстрировал эффективность одновременного производства тепла и электроэнергии на ТЭЦ, что привело к распространению в ряде стран централизованного теплоснабжения;

2) на гидроэлектростанциях (ГЭС), где в электроэнергию преобразуется механическая энергия потока воды с помощью гидравлических турбин, вращающих электрогенераторы;

3) на атомных электростанции (АЭС), где в электроэнергию преобразуется тепловая энергия, полученная при цепной ядерной реакции радиоактивных элементов в реакторе.

Три типа электростанций определяют состав используемых в электроэнергетике энергоресурсов. Их принято подразделять на первичные и вторичные, возобновляемые и невозобновляемые.

Первичные энергоносители - это сырьевые материалы в их естественной форме до проведения какой-либо технологической обработки, например каменный уголь, нефть, природный газ и урановая руда. В разговорной речи эти материалы называют просто «первичной энергией». Солнечное излучение, ветер, водные ресурсы - все это тоже первичная энергия.

Вторичная энергия - это продукт переработки, «облагораживания» первичной энергии, например электричество, бензин, мазут. Та энергия, которая попадает непосредственному потребителю, именуется конечной энергией. Чаще всего это вторичная энергия - электричество или мазут, но иногда конечная энергия бывает и первичной, например дрова, солнечное излучение или природный газ.

Некоторые виды ресурсов могут относительно быстро восстанавливаться в природе, и они называются возобновляемыми: дрова, камыш, торф и прочие виды биотоплива, гидропотенциал рек. Ресурсы, не обладающие таким качеством, называются невозобновляемыми: уголь, сырая нефть, природный газ, нефтеносный сланец, ядерное топливо, по большей части они являются полезными ископаемыми. Энергия солнца, ветра, морских приливов относится к неисчерпаемым возобновляемым энергетическим ресурсам.

В настоящее время наиболее распространенным видом технологического топлива в мировой электроэнергетике выступает уголь. Это объясняется относительной дешевизной и широкой распространенностью запасов данного вида топлива. Однако транспортировка угля на значительные расстояния ведет к большим издержкам, что во многих случаях делает нерентабельным этот вид топлива для электростанций, находящихся на значительном удалении от мест добычи угля. При производстве энергии с использованием угля высок уровень выброса в атмосферу загрязняющих веществ, что наносит существенный вред окружающей среде. В последние десятилетия ХХ века появились технологии, позволяющие использовать уголь для производства электроэнергии с большей эффективностью и меньшим загрязнением окружающей среды по сравнению с тем, как это происходило в первых двух третях ХХ в.

Значительный рост использования газа в мировой электроэнергетике за последние годы объясняется существенным ростом его добычи, появлением высокоэффективных технологий производства электроэнергии, основанных на применении данного вида топлива, а также ужесточением политики по охране окружающей среды. Использование газа при производстве электроэнергии позволяет сократить выброс в атмосферу вредных веществ, в первую очередь углекислого газа.

Все более широкое распространение получает производство электроэнергии за счет использования урана. Это топливо обладает колоссальной эффективностью по сравнению с прочими сырьевыми источниками энергии. Однако использование урана и прочих радиоактивных веществ сопряжено с риском масштабного загрязнения окружающей среды в случае аварии, а также чрезвычайно высокой капиталоемкостью возведения АЭС и утилизации отработанного топлива. Кроме того, сдерживающим фактором для развития этого вида энергетики является сложность технологии производства атомной энергии. Пока немногие страны могут обеспечить подготовку научных и технических специалистов, способных разработать технологии и обеспечить квалифицированную эксплуатацию АЭС.

Сохраняют высокую значимость в структуре источников электроэнергии гидроресурсы, хотя их доля несколько сократилась за последние десятилетия. Важность данного источника электроэнергии заключается в его возобновляемости и относительной дешевизне. Однако возведение гидростанций сопряжено с необратимым воздействием на окружающую среду, так как обычно требует затопления значительных территорий при создании водохранилищ. Кроме того, неравномерность распределения водоемов на планете и зависимость водных ресурсов от климатических условий ограничивают их гидроэнергетический потенциал.

Существенное сокращение использования нефти и нефтепродуктов для производства электроэнергии за последние тридцать лет объясняется как ростом стоимости данного вида топлива, высокой эффективностью его применения в других отраслях, так и дороговизной его транспортировки на значительные расстояния, а также возросшими требованиями к экологической безопасности.

В последние десятилетия резко возросло внимание к возобновляемым источникам энергии. В частности, активно разрабатываются технологии использования энергии солнца и ветра. Потенциал данных источников энергии огромен. Однако на сегодняшний день производство электроэнергии в промышленных масштабах из солнечной энергии в большинстве случаев оказывается менее эффективным, чем ее производство из традиционных видов ресурсов. Что касается энергии ветра, то здесь ситуация несколько иная. В развитых странах, особенно под влиянием экологических движений, преобразование энергии ветра в электрическую выросло весьма значительно. Нельзя не упомянуть также геотермальную энергию, которая может иметь серьезное значение для некоторых государств или отдельных регионов: Исландия, Новая Зеландия, Россия (Камчатка, Ставропольский край, Краснодарский край, Калининградская область). Однако пока еще все эти виды электрогенерации успешно развиваются в тех странах, где производство и (или) потребление электроэнергии на основе возобновляемых ресурсов дотируется государством.