§ 17. Що таке електроенергетика. Які є типи електростанцій

• Назад до змісту

ПОМІРКУЙТЕ

Які електричні прилади є у вас удома?

Удома є такі електричні прилади: холодильник, телевізор, пральна машина, мікрохвильова піч, електрочайник, пилосос, праска, роутер та світлодіодні лампи освітлення.

Як ви їх використовуєте?

Холодильник працює цілодобово для тривалого зберігання продуктів харчування. Телевізор використовується для перегляду новин та розважальних програм, а пральна машина — кілька разів на тиждень для автоматичного прання одягу. Мікрохвильова піч та електрочайник слугують для швидкого розігрівання страв та приготування гарячих напоїв. Пилосос і праска використовуються періодично для прибирання оселі й догляду за одягом, роутер забезпечує безперебійний доступ до мережі інтернет, а лампи освітлення вмикаються в темний час доби.

Де розташовані основні світові центри видобутку вугілля?

Основні світові центри та басейни видобутку вугілля розташовані у Китаї (Ордоський басейн, провінції Шаньсі й Шеньсі), США (Апалацький та Іллінойський басейни, басейн Паудер-Рівер), Індії (Дамодарський басейн), Австралії (басейни Боуен та Сідней), ПАР (басейн Вітбанк), Польщі (Верхньосілезький басейн), Німеччині (Рурський басейн) та Україні (Донецький і Львівсько-Волинський басейни).

Які є основні показники водних ресурсів?

Основними показниками водних ресурсів є об’єм загальних і внутрішніх відновних водних ресурсів, середній річний річковий стік (який поділяється на місцевий та транзитний), прогнозні ресурси підземних вод, показник водозабезпеченості території або однієї особи на рік, а також показники водного балансу території.

ДОСЛІДЖЕННЯ

Проведіть дослідження споживання електроенергії у вашому домі (або вдома у родичів / друзів, за їхньої згоди). 1. Запишіть покази лічильника електроенергії на початку та в кінці певного періоду (наприклад, тижня або місяця). 2. Складіть список усіх електричних приладів у домі, зазначивши їхню потужність (якщо можливо) та приблизний час використання на добу / тиждень. 3. Обчисліть економію електричного струму у грошах у вашому приватному будинку / квартирі в разі заміни всіх лампочок розжарювання на енергоощадні та зменшення часу використання окремих побутових приладів.

1. Покази лічильника за місяць (30 діб):

• Покази на початку періоду: 12 450 кВт·год.
• Покази в кінці періоду: 12 632,4 кВт·год.
• Загальний обсяг спожитої електроенергії за період: 182,4 кВт·год.

2. Список побутових електричних приладів:

3. Обчислення економії електроенергії та коштів:

Дано:

• Кількість ламп ($N$) = 6 шт.
• Потужність лампи розжарювання ($P_1$) = 100 Вт = 0,1 кВт
• Потужність LED-лампи ($P_2$) = 10 Вт = 0,01 кВт
• Час роботи ламп на добу ($t_1$) = 4 год
• Потужність телевізора ($P_{tv}$) = 100 Вт = 0,1 кВт
• Зменшення часу роботи телевізора ($\Delta t_{tv}$) = 1 год/добу
• Потужність електрочайника ($P_k$) = 1,8 кВт
• Зменшення часу роботи чайника ($\Delta t_k$) = 0,05 год/добу
• Розрахунковий період ($T$) = 30 діб
• Тариф на електроенергію ($Tariff$) = 4,32 грн/кВт·год

Знайти:

• Місячну економію електроенергії ($\Delta E$)
• Економію коштів ($Money$)

Розв’язання:

1. Економія від заміни ламп:
   $\Delta E_{lamps} = N \times (P_1 - P_2) \times t_1 \times T = 6 \times (0,1 - 0,01) \times 4 \times 30 = 64,8\text{ кВт·год}$.

2. Економія від зменшення часу використання телевізора:
   $\Delta E_{tv} = P_{tv} \times \Delta t_{tv} \times T = 0,1 \times 1 \times 30 = 3\text{ кВт·год}$.

3. Економія від зменшення часу використання чайника:
   $\Delta E_k = P_k \times \Delta t_k \times T = 1,8 \times 0,05 \times 30 = 2,7\text{ кВт·год}$.

4. Загальна економія електроенергії за місяць:
   $\Delta E = \Delta E_{lamps} + \Delta E_{tv} + \Delta E_k = 64,8 + 3 + 2,7 = 70,5\text{ кВт·год}$.

5. Економія грошових коштів:
   $Money = \Delta E \times Tariff = 70,5 \times 4,32 = 304,56\text{ грн}$.

Відповідь: заміна ламп і зменшення часу роботи приладів дає місячну економію 70,5 кВт·год, що зберігає 304,56 грн.

ПОМІРКУЙТЕ

Поясніть, чому найбільше споживають електричний струм вранці й увечері. Що дає встановлення багатозонного лічильника?

Максимум споживання електричного струму вранці та ввечері зумовлений добовим ритмом життя населення. Вранці люди прокидаються, готуються до роботи або навчання та одночасно вмикають багато побутових приладів (електрочайники, бойлери, мікрохвильові печі, освітлення). Увечері більшість людей повертається додому, що призводить до масового використання побутової техніки (пральних і посудомийних машин, електроплит, комп’ютерів, телевізорів), а також увімкнення систем додаткового обігріву чи кондиціонування.

Встановлення багатозонного лічильника дає змогу розраховуватися за спожиту електроенергію за різними тарифами залежно від часу доби. У нічний період вартість електроенергії є значно нижчою. Це дозволяє споживачам заощаджувати кошти, переносячи роботу енергомістких приладів на ніч, а також допомагає об’єднаній енергосистемі зменшити пікові навантаження у ранкові та вечірні години.

ГЕОГРАФІЯ В НАШОМУ ЖИТТІ

Використавши дані попереднього дослідження (кількість енергії, яку споживає ваше домогосподарство), порівняйте це зі середньою потужністю малої сонячної електростанції. Чи можна повністю забезпечити потреби енергією від СЕС?

Дано:

• Середньомісячне споживання домогосподарства ($E_{міс}$) = 250 кВт·год
• Потужність малої СЕС ($P$) = 5 кВт
• Середньорічний виробіток електроенергії на 1 кВт встановленої потужності СЕС в Україні ($k$) = 1100 кВт·год/кВт

Знайти:

• $E_{рік}$ — річне споживання
• $E_{ген}$ — річна генерація СЕС

Розв’язання:

1. Річне споживання домогосподарства:
   $E_{рік} = E_{міс} \times 12 = 250 \times 12 = 3000\text{ кВт·год}$.

2. Річна генерація малої сонячної електростанції:
   $E_{ген} = P \times k = 5 \times 1100 = 5500\text{ кВт·год}$.

3. Порівняння:
   Річна генерація малої СЕС (5500 кВт·год) суттєво перевищує річне споживання домогосподарства (3000 кВт·год).

Відповідь:
Сумарно за рік мала сонячна електростанція виробляє достатньо електроенергії для покриття річних потреб будинку. Проте повністю забезпечити господарство лише від СЕС без підключення до мережі або без потужних акумуляторів неможливо через добову та сезонну нерівномірність генерації: вночі сонячні станції не працюють, у похмурі дні виробіток різко падає, а взимку він у кілька разів нижчий за літній.

ЗАВДАННЯ

Порівняйте різні типи електростанцій (ТЕС, ГЕС, АЕС, ВЕС, СЕС). Заповніть таблицю.

Висловіть власну думку: яка з електростанцій має найкращий баланс між економічністю та екологічністю?

Найкращий баланс між економічністю та екологічністю мають сучасні вітрові електростанції (ВЕС) та гідроелектростанції (ГЕС) середньої і малої потужності. ГЕС забезпечують стабільне виробництво дешевої електроенергії з відновного джерела та виконують роль маневрових потужностей для енергосистеми. Проте, зважаючи на негативний екологічний вплив водосховищ великих ГЕС, з екологічного погляду лідерами є ВЕС. Вітрові електростанції мають низькі операційні витрати, не забруднюють повітря та воду, а їхній вплив на ландшафт і фауну є мінімальним за умови правильного проєктування.

ЗАВДАННЯ

Порівняйте паливно-енергетичні баланси України та Німеччини. Які джерела енергії є спільними, а які – відмінні? Як це пов’язано з природними ресурсами?

Спільними джерелами енергії в балансах України та Німеччини є вугілля, природний газ, нафта, гідроенергія, а також енергія сонця й вітру.

Відмінні риси структури балансів:

• В Україні близько половини всього виробництва електроенергії забезпечують АЕС, тоді як Німеччина у 2023 році повністю зупинила всі свої атомні реактори.
• Німеччина отримує понад 50 % електроенергії з відновлюваних джерел (переважно вітрових і сонячних станцій), тоді як в Україні частка ВДЕ є значно меншою.
• Україна спирається на власне кам’яне вугілля в роботі ТЕС, а Німеччина планомірно виводить вугільні потужності з експлуатації задля декарбонізації.

Зв’язок із природними ресурсами:

• Значна частка атомної генерації в Україні підкріплена власними родовищами уранових руд у Кіровоградській області.
• Традиційне використання вугілля в обох країнах базується на потужних вугільних басейнах (Донбас і Львівсько-Волинський в Україні, Рурський та Саарський у Німеччині).
• Природний потенціал сонячної та вітрової енергії в південних областях України навіть вищий за середній показник Німеччини, проте швидший розвиток німецьких ВДЕ зумовлений передовими технологіями та масштабом державних інвестицій.

ПРАКТИЧНЕ ЗАВДАННЯ

Створіть схему, що ілюструє шлях електроенергії від електростанції до кінцевого споживача (наприклад, до вашої школи або будинку). Включіть у схему всі головні елементи: тип електростанції, трансформаторні підстанції, лінії електропередачі (ЛЕП різної напруги), розподільчі мережі, лічильники, побутові прилади. Додайте короткі пояснення до кожного елемента схеми та можливі «виклики» або «проблеми» на цьому шляху (наприклад, втрати енергії, аварії на ЛЕП, перевантаження електромережі).

ПЕРЕВІРЯЄМО СЕБЕ

1. Які заходи зі збереження первинних енергоресурсів упровадили в населеному пункті, де ви живете? Як члени вашої родини економлять електроенергію?

У місті впроваджено комплекс заходів з енергоефективності та термомодернізації. По-перше, здійснюється планова модернізація вуличного освітлення із заміною старих натрієвих ламп на сучасні енергоощадні LED-світильники. По-друге, діють програми термомодернізації бюджетних установ (шкіл, садочків та лікарень), які передбачають комплексне утеплення стін, заміну вікон на енергоощадні склопакети та встановлення індивідуальних теплових пунктів (ІТП). По-третє, функціонують програми співфінансування, завдяки яким мешканці багатоквартирних будинків можуть утеплити фасади та оновити внутрішні інженерні мережі.

Члени моєї родини активно долучаються до економії електроенергії в побуті. Всі освітлювальні лампи в оселі замінені на світлодіодні (LED), що споживають значно менше енергії. Ми завжди вимикаємо світло в кімнатах, де нікого немає, та не залишаємо побутову техніку в режимі очікування. Холодильник регулярно розморожується і встановлений на безпечній відстані від плити та радіаторів опалення. Крім того, в оселі встановлений багатозонний лічильник, тому найбільш енергоємні процеси (прання та нагрівання води) ми переносимо на нічний час, коли діє пільговий тариф.

2. Які розрізняють типи електростанцій? Схарактеризуйте вплив різних чинників на їх розміщення.

Електростанції поділяють на кілька основних типів залежно від первинного джерела енергії: теплові (ТЕС, ТЕЦ), атомні (АЕС), гідравлічні (ГЕС, ГАЕС), а також електростанції на відновних джерелах — сонячні (СЕС), вітрові (ВЕС), геотермальні (ГеоТЕС) та припливні (ПЕС).

Вплив чинників на їхнє розміщення:

• Теплові електростанції будують поблизу родовищ палива (вугілля, торфу) або біля великих міст і промислових вузлів, якщо транспортування струму дорожче за підвезення сировини.
• Атомні електростанції орієнтуються на споживача у високорозвинених регіонах із дефіцитом палива, а також на наявність великих водойм для охолодження реакторів із дотриманням суворих сейсмічних вимог.
• Гідроелектростанції прив’язані до водного чинника і зводяться виключно на річках зі значним річним стоком, великим перепадом висот та стрімким потоком води.
• Сонячні та вітрові електростанції залежать від природно-кліматичних умов — значної кількості сонячних днів чи стабільних вітрових потоків на відкритих рівнинах або приморських узбережжях.
• Геотермальні та припливні електростанції вимагають особливих геологічних і гідрологічних умов — районів молодого вулканізму з гарячими гейзерами чи морських заток із великою висотою припливів.

3. Поясніть, чому під час вибору місця для зведення ГЕС важливо враховувати кліматичні умови.

Врахування кліматичних умов при виборі місця для ГЕС є критично важливим, оскільки клімат безпосередньо визначає кількість атмосферних опадів, режим танення снігів та середньорічну температуру, що формує об’єм та стабільність річкового стоку. Якщо річка протікає в посушливому кліматі з тривалими бездощовими періодами, ГЕС не зможе безперебійно генерувати енергію через сезонне маловоддя. Також у жаркому сухому кліматі велика площа дзеркала створеного водосховища призводить до інтенсивного випаровування води, що суттєво зменшує корисний об’єм водойми. У регіонах із суворим холодним кліматом тривале замерзання річок взимку суттєво обмежує притік води до турбін. Крім того, кліматичні спостереження дозволяють прогнозувати максимальний рівень паводків для проєктування безпечної висоти греблі та запобігання катастрофічним затопленням територій нижче за течією.

МОЯ ТЕРИТОРІАЛЬНА ГРОМАДА

Який тип електростанції найефективніший для вашого регіону? Проведіть мінідослідження природних умов і ресурсів вашої області. Обґрунтуйте, який тип електростанції (теплова, гідро-, сонячна, вітрова, атомна) найдоцільніше будувати саме тут.

Для Київської області найбільш ефективним та перспективним є розвиток сонячних електростанцій (СЕС) разом із промисловими накопичувачами енергії, а також будівництво біогазових станцій на відходах агропромислового комплексу.

Обґрунтування на основі природних умов і ресурсів Київщини:

• Тривалість сонячного сяйва в регіоні сягає 1700–1900 годин на рік, що забезпечує стабільну роботу фотоелектричних панелей на дахах підприємств і житлових будинків без вилучення цінних орних земель.
• Потужний агропромисловий сектор та тваринницькі комплекси області постачають стабільну біомасу для біогазових установок, які здатні безперервно виробляти струм і тепло в будь-яку пору року.
• Гідропотенціал Дніпра вже вичерпано наявним каскадом Київської ГЕС і ГАЕС, спорудження вугільних ТЕС є екологічно неприйнятним, а середні швидкості вітру (3,5–4,5 м/с) є занизькими для потужних вітропарків.

Розвиток розподіленої сонячної генерації та біоенергетики гарантує високу енергетичну безпеку й мінімальний вплив на довкілля громади.