Elproduktion är processen att få el från primära energikällor . En egenskap hos elektricitet är att den inte är en primärenergi, fritt närvarande i naturen i betydande mängder, och den måste produceras. Produktionen av el sker som regel med hjälp av generatorer i industriföretag, som kallas kraftverk .
Inom elkraftindustrin är elproduktion det första steget i leverans av el till slutanvändare, de andra stegen är överföring , distribution , ackumulering och återvinning av energi vid pumpkraftverk .
Grundprincipen för elproduktion upptäcktes på 1820-talet och början av 1830-talet av den brittiske vetenskapsmannen Michael Faraday . Hans metod, som fortfarande används idag, är att i en sluten ledande krets, när denna krets rör sig mellan polerna på en magnet , uppstår en elektrisk ström.
Med utvecklingen av tekniken blev följande system för produktion av el ekonomiskt lönsamt. Elektriska generatorer installerade i ett kraftverk genererar centralt elektrisk energi i form av växelström . Med hjälp av krafttransformatorer ökas den elektriska spänningen hos den genererade växelströmmen, vilket gör att den kan överföras genom ledningar med låga förluster. Vid förbrukningen av elektrisk energi reduceras växelströmsspänningen av transformatorer och överförs till konsumenterna. Elektrifiering , tillsammans med Bessemerian-metoden för ståltillverkning, blev grunden för den andra industriella revolutionen . De stora uppfinningarna som gjorde elektricitet allmänt tillgänglig och oumbärlig var Thomas Alva Edison och Nikola Tesla .
Elproduktion vid centrala kraftverk började 1882, när en ångmaskin vid Pearl Street-stationen i New York [1] drev en dynamo som producerade likström till ljus Pearl Street . Den nya tekniken anammades snabbt av många städer runt om i världen, som snabbt konverterade sina gatlyktor till elektrisk energi. Kort därefter användes elektriska lampor i stor utsträckning i offentliga byggnader, fabriker och för att driva kollektivtrafiken (spårvagnar och tåg). Sedan dess har produktionen av elektrisk energi i världen ökat konstant.
Det huvudsakliga sättet att producera elektrisk energi är dess generering av en elektrisk generator placerad på samma axel som turbinen och omvandlar turbinens kinetiska energi till elektricitet. Beroende på vilken typ av arbetsenhet som roterar turbinen delas kraftverken in i hydrauliska och termiska (inklusive kärnkraft).
Vattenkraft är en gren av elproduktion från en förnybar källa som använder den kinetiska energin från vattenflödet för att producera el . Energiproduktionsföretag i detta område är vattenkraftverk (HPPs), som är byggda på floder.
Vid byggandet av ett vattenkraftverk med hjälp av dammar på floder skapas en skillnad i vattenytans nivåer på konstgjord väg (uppströms och nedströms ). Vatten, under inverkan av gravitationen, svämmar över från uppströms till nedströms, genom speciella ledningar, i vilka vattenturbiner är placerade, vars blad snurras av vattenflödet. Turbinen roterar den elektriska generatorns koaxialrotor.
Pumplagerkraftverk (PSPP) är en speciell typ av vattenkraftverk . De kan inte betraktas som ren produktionskapacitet, eftersom de förbrukar nästan lika mycket el som de genererar, men sådana stationer är mycket effektiva för att lasta av nätet under rusningstid.
Företagen inom värmekraftindustrin är värmekraftverk (TPP), där värmeenergin från förbränning av fossila bränslen omvandlas till elektrisk energi. Termiska kraftverk är av två huvudtyper:
Kondensering (CPPs, för vilka tidigare förkortningen GRES användes - statens distriktskraftverk). Ett värmekraftverk kallas ett kondenskraftverk, som är konstruerat uteslutande för produktion av elektrisk energi. Vid IES värmer värmen som erhålls genom att bränna bränsle upp vattnet i ånggeneratorer , och den resulterande överhettade vattenångan matas in i en ångturbin , på samma axel som det finns en elektrisk generator . I turbinen omvandlas ångans inre energi till mekanisk energi, som i en elektrisk generator skapar en elektrisk ström som tillförs det elektriska nätet. Avgasångan leds ut till kondensorn. Därifrån pumpas det kondenserade vattnet tillbaka till ånggeneratorn med hjälp av pumpar.
Kraftvärme (värmekraftverk, värmekraftverk). Ett värmekraftverk kallas ett värmekraftverk, där en del av värmeenergin riktas till generering av elektrisk energi, och en del tillförs för att värma de omgivande bostadsområdena. Den kombinerade produktionen av värme och el i kraftvärmeverk förbättrar bränsleeffektiviteten avsevärt jämfört med separat generering av el i kondenskraftverk och värme för uppvärmning i hushållspannanläggningar
Teknologiska system för IES och CHP är likartade. Den grundläggande skillnaden mellan CHP och IES är att en del av ångan som genereras i pannan används för värmeförsörjningsbehov.
Kärnkraft använder kärnenergi för att producera energi och värme . Kärnkraftverk är kärnkraftverk (NPP). Principen för elproduktion vid kärnkraftverk är densamma som vid värmekraftverk. Endast i detta fall frigörs termisk energi inte genom förbränning av organiskt bränsle, utan som ett resultat av en kärnreaktion i en kärnreaktor . Det ytterligare schemat för att generera elektricitet skiljer sig inte fundamentalt från ett termiskt kraftverk: ånggeneratorn tar emot värme från reaktorn och producerar ånga, som kommer in i ångturbinen, etc. På grund av vissa designegenskaper hos kärnkraftverk är det kostnads- effektiva för att endast använda dem för produktion av elektricitet, även om vissa experiment i kärnkraftsuppvärmning utfördes.
Alternativ elkraftsindustri inkluderar metoder för att generera el som har ett antal fördelar jämfört med de "traditionella" (nämnda ovan), men som av olika anledningar inte har använts i stor utsträckning. De viktigaste typerna av alternativ energi är:
Vindkraft är användningen av vindens kinetiska energi för att generera elektricitet. Intressant nog, enligt Betz lag kan verkningsgraden för ett vindturbin inte vara mer än 59,3 %
Solenergi (solenergi) är produktionen av elektrisk energi från energin från solljus genom den fotoelektriska effekten . Solpaneler omvandlar solljus direkt till el. Även om solljus är gratis och rikligt, är storskalig elproduktion från solkraftverk dyrare än elproduktion från elektriska generatorer. Det beror på den höga kostnaden för solpaneler, som dock hela tiden minskar. Batterier med en konverteringseffektivitet på nästan 30 % finns nu kommersiellt tillgängliga. Mer än 40 % effektivitet har visats i experimentella system [2] . Fram till nyligen användes solceller oftast i rymdstationer , i glest befolkade områden där det inte finns något kommersiellt elnät tillgängligt, eller som en extra elkälla för enskilda hem och företag. De senaste framstegen inom tillverkningseffektivitet och solcellsteknik, i kombination med subventioner som drivs av miljöhänsyn, har avsevärt påskyndat utbyggnaden av solpaneler. Den installerade kapaciteten växer med 40 % per år på grund av ökningen av elproduktionen i Marocko [3] , Tyskland, Kina, Japan och USA. De vanliga nackdelarna med vind- och solenergi är behovet av att skapa lagringskapacitet för drift på natten (för solenergi) eller lugn (för vindenergi) tid.
Geotermisk energi är industriell produktion av energi, särskilt elektricitet, från varma källor, termiskt grundvatten. Faktum är att geotermiska stationer är vanliga värmekraftverk, där man istället för en panna eller en kärnreaktor använder underjordiska värmekällor från jordens tarmar som värmekälla för uppvärmning av ånga. Nackdelen med sådana stationer är de geografiska begränsningarna för deras tillämpning: det är kostnadseffektivt att bygga geotermiska stationer endast i regioner med tektonisk aktivitet, det vill säga där dessa naturliga värmekällor är mest tillgängliga.
Vätgasenergi - användningen av väte som energibränsle har stora utsikter: väte har en mycket hög förbränningseffektivitet, dess resurs är praktiskt taget obegränsad, väteförbränning är absolut miljövänlig (produkten av förbränning i en syreatmosfär är destillerat vatten). Vätgasenergi kan dock inte till fullo tillgodose mänsklighetens behov ännu på grund av de höga kostnaderna för att producera rent väte och de tekniska problemen med att transportera det i stora mängder.
Det är också värt att notera sådana alternativa typer av vattenkraft: tidvatten- och vågenergi . I dessa fall används den naturliga kinetiska energin från tidvatten respektive vindvågor för att producera elektrisk energi. Spridningen av dessa typer av elkraftsindustri hämmas av behovet av sammanträffande av många faktorer vid utformningen av ett kraftverk: det behövs en kust där tidvattnet (och havsvågorna) skulle vara tillräckligt starka och stabila.
Elektrokemisk kraftgenerering sker genom direkt omvandling av kemisk bindningsenergi till elektricitet, till exempel i ett batteri . Elektrokemisk kraftgenerering är viktig i bärbara och mobila applikationer. För närvarande kommer det mesta av den elektrokemiska energin från batterier [4] . Primära celler, såsom konventionella zink-kolbatterier , fungerar direkt som energikällor, medan sekundära celler (batterier) används för att lagra elektricitet , inte för att generera den. Öppna elektrokemiska system, kända som bränsleceller , kan användas för att utvinna energi från naturliga eller syntetiska bränslen.
På platser där det finns mycket salt och sötvatten är det möjligt att skapa osmotiska kraftverk .
Byggandet av elkraftanläggningar är mycket kostsamt, deras återbetalningstid är lång. Den ekonomiska effektiviteten för en viss metod för elproduktion beror på många parametrar, främst på efterfrågan på el och på regionen. Beroende på förhållandet mellan dessa parametrar varierar även försäljningspriserna för icke-el, till exempel är elpriset i Venezuela 3 cent per kWh och i Danmark - 40 cent per kWh.
Valet av typ av kraftverk bygger också i första hand på att ta hänsyn till lokala behov av el och fluktuationer i efterfrågan. Dessutom har alla elnät olika belastningar, men kraftverk som är anslutna till nätet och arbetar kontinuerligt måste ge baslasten - den dagliga minimiförbrukningen. Baslasten kan endast tillhandahållas av stora värme- och kärnkraftverk, vars effekt kan regleras inom vissa gränser. I vattenkraftverk är förmågan att styra kraften mycket mindre. .
Termiska kraftverk byggs företrädesvis i områden med hög täthet av industriella konsumenter. De negativa effekterna av avfallsföroreningar kan minimeras eftersom kraftverk vanligtvis ligger långt från bostadsområden. Den typ av bränsle som förbränns är avgörande för ett värmekraftverk. Kol är vanligtvis det billigaste bränslet för värmekraftverk. Men om priset på naturgas faller under en viss gräns, blir dess användning för elproduktion mer att föredra än elproduktion genom förbränning av kol [6] .
Den största fördelen med kärnkraftverk är den stora kapaciteten hos varje kraftenhet med en relativt liten storlek och hög miljövänlighet med strikt iakttagande av alla driftregler. De potentiella farorna från kärnkraftverkens haveri är dock mycket stora.
Vattenkraftverk byggs vanligtvis i avlägsna områden och är extremt miljövänliga, men deras kapacitet varierar mycket beroende på årstid och de kan inte reglera effektuttaget till elnätet över ett brett spektrum.
Kostnaden för att producera el från förnybara källor (med undantag för vattenkraft) har på senare tid sjunkit avsevärt. Kostnaden för el producerad från solenergi, vindenergi, tidvattenenergi är i många fall redan jämförbar med kostnaden för el producerad i värmekraftverk. Med hänsyn till statliga subventioner är det ekonomiskt genomförbart att bygga kraftverk som drivs med förnybara källor. Den största nackdelen med sådana kraftverk är dock den inkonsekventa karaktären av deras arbete och oförmågan att reglera sin kraft.
Under 2018 blev elproduktionen vid vindkraftsparker till havs billigare än elproduktionen vid kärnkraftverk [7] .
Skillnader mellan länder som producerar el påverkar miljöhänsyn. I Frankrike genereras endast 10 % av elen från fossila bränslen, i USA når denna siffra 70 % och i Kina - upp till 80 % [8] . Elproduktionens miljövänlighet beror på typen av kraftverk. De flesta forskare är överens om att utsläpp av föroreningar och växthusgaser från fossilbränslebaserad elproduktion står för en betydande del av de globala växthusgasutsläppen; i USA står elproduktionen för nästan 40 % av utsläppen, den största av alla källor. Transportutsläppen ligger långt efter och står för ungefär en tredjedel av USA:s koldioxidproduktion [9] . I USA står förbränning av fossila bränslen för att generera elektricitet för 65 % av alla utsläpp av svaveldioxid , huvudkomponenten i surt regn [10] . Elproduktion är den fjärde största kombinerade källan till NOx , kolmonoxid och partiklar i USA [11] . I juli 2011 uttalade det brittiska parlamentet att vid produktion av en kilowattimme är "utsläppen (av koldioxid) från kärnkraft ungefär tre gånger lägre än från solkraftverk, fyra gånger lägre än från förbränning av rent kol, och 36 gånger lägre än vid eldning av konventionellt kol” [12] .