Как энергия деления атома, течения реки, ветра и горения топлива преобразуется в электричество и какие электростанции — самые продвинутые и безопасные для окружающей среды?
Отвечаем в совместной рубрике портала «Большая российская энциклопедия» и «Объединенной энергетической компании».
Рассказываем, как энергия деления атома, течения реки, ветра и горения топлива преобразуется в электричество и какие электростанции — самые продвинутые и безопасные для окружающей среды
Атомные электростанции
На АЭС электричество получают из энергии атома. Прежде чем из ядерного топлива (как правило, это уран-235 или плутоний-239) родится электроэнергия, оно должно пройти три преобразования.
Первое преобразование происходит в ядерном реакторе — это сердце электростанции. Корпус реактора сделан из стали и находится в герметичной железобетонной оболочке. Ядерное топливо в таблетках помещают в твэлы — специальные трубки из стали. Затем несколько десятков тысяч таких трубок оказываются в активной зоне ядерного реактора, где происходит цепная реакция — деление тяжелых ядер. В результате этого процесса выделяется огромное количество тепловой энергии, которая передается теплоносителю. В качестве последнего обычно выступает очищенная вода. Таким образом ядерная энергия трансформируется в тепловую.
На следующем этапе тепловая энергия превращается в механическую. Это происходит в парогенераторах. Пар, которые образуется в генераторе, поступает на турбину и заставляет ее крутиться.
Вращающийся вал турбины начинает вращать ротор электрогенератора. В этот момент механическая энергия наконец преобразуется в электрическую.
Если посмотреть на АЭС снаружи, можно увидеть огромные башни-трубы, достигающие высоты 60-этажного дома. Это градирни — они нужны для быстрого охлаждения воды. Вода в них распыляется сверху вниз и остывает до нужного уровня во время падения.
Главное преимущество АЭС — для ее работы требуется совсем немного топлива, что сильно экономит расходы на перевозку и позволяет строить станцию без оглядки на источники ископаемых. Еще один очевидный плюс — АЭС относительно безвредны для экологии, поскольку они не производят выбросов в атмосферу. С другой стороны, перерабатывать использованное топливо пока проблематично. И разумеется, в случае аварии последствия могут быть катастрофическими: вспомните трагедии на Чернобыльской АЭС или АЭС Фукусима-1. Чтобы этого избежать, современные атомные электростанции оборудуют сложнейшими системами безопасности, которые не позволят активной зоне расплавиться в случае аварии. Несмотря на все преимущества, страны все чаще отказываются от рисков ядерной энергетики и закрывают АЭС.
В России доля выработки электроэнергии атомными станциями составляет около 12%. Всего в стране 11 станций суммарной мощностью более 29,5 ГВт. Доля атомной энергии в мировом производстве на в 2022 году составила около 9%.
Тепловые электростанции
ТЭС работают на ископаемом топливе — газе, угле, торфе или мазуте. Его сжигают в огромных котлах размером с девятиэтажное здание. Стенки котла отделаны трубами, по которым течет вода, при нагревании превращаясь в пар. Далее этот пар покидает котел и направляется к соплам и рабочим лопаткам паровой турбины.
Под давлением пара турбина начинает вращаться, а вслед за ней начинает вращаться и ротор электрогенератора, превращающий механическую энергию в электрическую. Этот процесс подобен тому, что происходит на АЭС. Пар, прошедший через турбину, отправляется в конденсатор и снова превращается в воду, которая поступает в котел.
Среди плюсов теплоэлектростанций — относительная дешевизна топлива и эксплуатации по сравнению с другими видами электростанций. ТЭС можно строить вне зависимости от расположения источников ископаемых и транспортировать топливо поездами. Главный недостаток тепловых ЭС — большое количество вредных для окружающей среды выбросов. Кроме того, у ТЭС не очень высокий КПД из-за того, что во время работы теряется много тепла. Наконец, уголь, газ и торф — невозобновляемые ресурсы, а значит, однажды они закончатся, хоть и произойдет это не скоро.
Несмотря на очевидные недостатки, большая часть производства электроэнергии приходится именно на ТЭС. Так, в 2022 году 61% всего электричества в мире произвели с помощью горения ископаемого топлива. В России на начало 2022 года ТЭС обеспечивали 66,1% электроэнергии.
Гидроэлектростанции
ГЭС преобразует в электричество энергию напора воды. Поэтому такие станции строятся вблизи водоемов.
Принцип работы гидроэлектростанции сравнительно простой. Сначала строится плотина, благодаря которой вода скапливается в водохранилище. Затем она под сильным напором начинает поступать на лопасти турбины, которая приходит в движение и начинает вращать электрогенератор. Плотина нужна не всегда: иногда естественного течения реки достаточно, чтобы создать нужный напор.
У ГЭС много преимуществ. Во-первых, строительство и эксплуатация такой станции — одно из самых дешевых среди всех типов ЭС. Во-вторых, ГЭС не выделяют вредных отходов и не загрязняют почву. В-третьих, воду из водохранилищ можно использовать для орошения сельскохозяйственных земель, в ней можно купаться и даже использовать для питья.
Среди недостатков ГЭС — неэффективность постройки в равнинных районах и зависимость от засухи. Нередко для того, чтобы возвести гидроэлектростанцию, приходится затапливать пахотные или жилые районы. Кроме того, в результате разрушения плотины ниже по течению реки неминуемо возникнет катастрофическое наводнение.
ГЭС обеспечивают 20% всей электроэнергии в России и 15% — во всем мире.
Альтернативные электростанции
К альтернативным источникам энергии относят возобновляемые энергетические ресурсы, которые никак не вредят окружающей среде. Это солнечная энергия, энергия ветра, энергия приливов и отливов, биоэнергетика, геотермальная энергия и т.д. Самые распространенные среди этих электростанций — ветряные (ВЭС) и солнечные (СЭС).
Ветряные электростанции состоит из установок, перенаправляющих на электрогенераторы кинетическую энергию ветра, которая заставляет вращаться подвижную часть ветряка. ВЭС достаточно дешёвые, но их производительность зависит от погоды. В безветренной местности они вряд ли принесут много пользы. Доля российской электроэнергии, полученной от 35 действующих ВЭС, по данным 2021 года составила 0,3%.
Солнечные электростанции концентрируют солнечную энергию при помощи зеркал, отражают лучи на специальные приёмники и преобразуют в тепло. Эта энергия затем приводит в движение паровые турбины или двигатели, которые запускают генератор электричества. Такие электростанции универсальны, но их минус в том, что солнечные панели не работают ночью. В России 56 действующих СЭС производят около 0,2% электроэнергии.
Страны по всему миру стремятся полностью перейти с угля на альтернативные источники энергии. В 2022 году ВЭС и СЭС произвели 12% общемирового электричества, обогнав по показателям атомные электростанции.
В следующей части расскажем о линиях электропередач, по которым электричество доставляется к потребителям.
Ставьте палец вверх чтобы видеть в своей ленте больше статей о науке и её представителях.
Интересные материалы:
От Бауманки до списка Forbes и квантового компьютера: интервью с Алексеем Фёдоровым
Зачем магазины указывают первоначальную стоимость товара на ценнике со скидкой?
Искусство математики: как художники использовали золотое сечение