§ 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), Росії (Кузнецький та Ленський басейни), 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: $12450\text{ кВт} \cdot \text{год}$.
• Покази в кінці періоду: $12632{,}4\text{ кВт} \cdot \text{год}$.
• Загальний обсяг спожитої електроенергії за період: $182{,}4\text{ кВт} \cdot \text{год}$.

2. Список побутових електричних приладів:

3. Обчислення економії електроенергії та коштів:

Дано:

• $N_1 = 6$
• $P_{l1} = 100\text{ Вт} = 0{,}1\text{ кВт}$
• $t_{l1} = 4\text{ год/добу}$
• $P_{l2} = 10\text{ Вт} = 0{,}01\text{ кВт}$
• $t_{l2} = 4\text{ год/добу}$
• $P_{tv} = 100\text{ Вт} = 0{,}1\text{ кВт}$
• $\Delta t_{tv} = 1\text{ год/добу}$
• $P_{k} = 1{,}8\text{ кВт}$
• $\Delta t_{k} = 0{,}05\text{ год/добу}$
• $T = 30\text{ діб}$
• $Tariff = 4{,}32\text{ грн/кВт} \cdot \text{год}$

Знайти:

• $\Delta E - ?$
• $Money - ?$

Розв’язання:

Споживання ламп розжарювання за місяць:

$E_{l1} = N_1 \cdot P_{l1} \cdot t_{l1} \cdot T$

$E_{l1} = 6 \cdot 0{,}1 \cdot 4 \cdot 30 = 72\text{ кВт} \cdot \text{год}$

Споживання світлодіодних ламп за місяць:

$E_{l2} = N_1 \cdot P_{l2} \cdot t_{l2} \cdot T$

$E_{l2} = 6 \cdot 0{,}01 \cdot 4 \cdot 30 = 7{,}2\text{ кВт} \cdot \text{год}$

Економія електроенергії від заміни ламп за місяць:

$\Delta E_{lamps} = E_{l1} - E_{l2}$

$\Delta E_{lamps} = 72 - 7{,}2 = 64{,}8\text{ кВт} \cdot \text{год}$

Економія від зменшення часу використання телевізора за місяць:

$\Delta E_{tv} = P_{tv} \cdot \Delta t_{tv} \cdot T$

$\Delta E_{tv} = 0{,}1 \cdot 1 \cdot 30 = 3\text{ кВт} \cdot \text{год}$

Економія від зменшення часу використання електрочайника за місяць:

$\Delta E_{k} = P_{k} \cdot \Delta t_{k} \cdot T$

$\Delta E_{k} = 1{,}8 \cdot 0{,}05 \cdot 30 = 2{,}7\text{ кВт} \cdot \text{год}$

Загальна економія електроенергії за місяць:

$\Delta E = \Delta E_{lamps} + \Delta E_{tv} + \Delta E_{k}$

$\Delta E = 64{,}8 + 3 + 2{,}7 = 70{,}5\text{ кВт} \cdot \text{год}$

Економія грошових коштів за місяць:

$Money = \Delta E \cdot Tariff$

$Money = 70{,}5 \cdot 4{,}32 = 304{,}56\text{ грн}$

Відповідь: місячна економія електроенергії становить 70,5 кВт·год, що в грошовому еквіваленті дорівнює 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?

Відомо:

• $E_{\text{міс}} = 250\text{ кВт} \cdot \text{год}$ (середнє місячне споживання домогосподарства)
• $P_{\text{СЕС}} = 5\text{ кВт}$ (номінальна потужність малої СЕС)
• $k = 1100\text{ кВт} \cdot \text{год}/\text{кВт}$ (середньорічний виробіток електроенергії на 1 кВт встановленої потужності СЕС в Україні)

Знайти:

• $E_{\text{рік}} - ?$
• $E_{\text{ген\_рік}} - ?$

Розв’язання:

Річне споживання домогосподарства:

$E_{\text{рік}} = E_{\text{міс}} \cdot 12$

$E_{\text{рік}} = 250 \cdot 12 = 3000\text{ кВт} \cdot \text{год}$

Річна генерація малої СЕС:

$E_{\text{ген\_рік}} = P_{\text{СЕС}} \cdot k$

$E_{\text{ген\_рік}} = 5 \cdot 1100 = 5500\text{ кВт} \cdot \text{год}$

Порівняння середньомісячної генерації та споживання:

$E_{\text{ген\_міс}} = \dfrac{E_{\text{ген\_рік}}}{12}$

$E_{\text{ген\_міс}} = \dfrac{5500}{12} \approx 458{,}3\text{ кВт} \cdot \text{год}$

Оскільки річна генерація малої СЕС ($5500\text{ кВт} \cdot \text{год}$) перевищує річне споживання домогосподарства ($3000\text{ кВт} \cdot \text{год}$), СЕС виробляє достатньо енергії для покриття річних потреб.

Повністю забезпечити потреби домогосподарства виключно за рахунок сонячної електростанції без підключення до загальної мережі або без використання потужних акумуляторів неможливо. Це пов’язано з нерівномірністю сонячної генерації протягом доби (відсутність генерації вночі) та сезонів (взимку виробіток падає у кілька разів, тоді як споживання зростає).

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 проектування.

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 паливно-енергетичних балансах України та Німеччини є вугілля, природний газ, нафта, а також енергія сонця, вітру та води. Обидві країни активно використовують традиційні викопні види палива та паралельно нарощують частку відновлюваних джерел енергії (ВДЕ).

Відмінні риси паливно-енергетичних балансів:

• Ядерна енергетика: В Україні АЕС забезпечують близько половини всього виробництва електроенергії. Німеччина повністю відмовилася від атомної енергетики, закривши свої останні реактори у 2023 році.
• Масштаб відновлюваної енергетики: У Німеччині частка ВДЕ у споживанні електроенергії перевищує 50% (головним чином за рахунок вітрової та сонячної генерації). В Україні частка ВДЕ є значно нижчою (до 10%).
• Вугілля: Україна має значні запаси кам’яного вугілля (Донецький та Львівсько-Волинський басейни), тому воно займає суттєву частку в тепловій генерації. Німеччина, хоч і має великі поклади бурого та кам’яного вугілля, поступово скорочує його споживання в межах політики декарбонізації.

Зв’язок із природними ресурсами:

• Висока частка атомної енергетики в Україні зумовлена наявністю власних великих родовищ уранових руд (Новокостянтинівське, Мічурінське) та створеним промисловим комплексом.
• Велике значення вугілля в обох країнах безпосередньо пов’язане з потужною сировинною базою (Рурський та Саарський басейни в Німеччині, Донбас в Україні).
• Розвиток сонячної та вітрової енергетики в Німеччині обумовлений не стільки природними факторами (рівень сонячної інсоляції там помірний), скільки технологічним розвитком та інвестиційною політикою. В Україні природний потенціал для СЕС (південні області з високою інсоляцією) та ВЕС (приморські регіони та Карпати) є вищим, але його реалізація наразі обмежена фінансовими ресурсами та наслідками воєнних руйнувань.

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).

Схема шляху електроенергії від джерела генерації до кінцевого споживача представлена у вигляді таблиці:

ПЕРЕВІРЯЄМО СЕБЕ

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

У місті Києві 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 двокамерні металопластикові профілі та встановлення індивідуальних теплових пунктів (ІТП). По-третє, функціонує міська програма співфінансування «70/30», завдяки якій мешканці багатоквартирних будинків можуть утеплити фасади та оновити внутрішні інженерні мережі за фінансової підтримки міста.

Члени моєї родини активно долучаються до економії електроенергії в побуті. Всі освітлювальні лампи в оселі замінені на світлодіодні (LED), що споживають до 90 % 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 двозонний лічильник, тому найбільш енергоємні процеси, такі як прання та підігрів води бойлером, ми переносимо на нічний час, коли тариф на електроенергію є значно нижчим.

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 відновлювані джерела енергії — сонячні (СЕС), вітрові (ВЕС), геотермальні (ГеоТЕС) та припливні (ПЕС).

Вплив чинників на їхнє розміщення характеризується такими закономірностями:

• Теплові електростанції (ТЕС) орієнтуються на паливний чинник (будуються поблизу великих родовищ вугілля або інших паливних ресурсів) та споживчий чинник (розташовуються поруч із великими містами й промисловими центрами, якщо паливо дешевше підвозити).
• Атомні електростанції (АЕС) розміщують за споживчим чинником (у регіонах з високим попитом на енергію, де бракує власних паливних ресурсів) та водним чинником (потребують великої кількості води для охолодження реакторів). Будівництво також обмежується безпековим чинником у сейсмічно активних зонах.
• Гідроелектростанції (ГЕС) повністю залежать від природно-ресурсного (водного) чинника, тому їх будують виключно на повноводних річках з великим падінням та ухилом русла.
• Сонячні (СЕС) та вітрові (ВЕС) електростанції розміщують за кліматичним чинником у районах з високим рівнем сонячної інсоляції або стабільними потужними вітрами (степові зони, морські узбережжя), а також за наявності значних вільних площ для встановлення обладнання.
• Геотермальні (ГеоТЕС) та припливні (ПЕС) прив’язані до геолого-гідрологічного чинника — районів геологічних розломів з гарячими підземними водами або морських узбереж з високою амплітудою припливної хвилі.

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 посушливому та жаркому кліматі велика площа дзеркала створеного водосховища призводить до інтенсивного випаровування води, що суттєво зменшує корисний об’єм водойми та погіршує її екологічний стан. У регіонах із суворим холодним кліматом тривале замерзання річок взимку суттєво обмежує притік води до турбін, що ускладнює роботу станції. Крім того, кліматичні спостереження дозволяють прогнозувати максимальний рівень весняних або дощових паводків для проектування 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) у поєднанні зі встановленням промислових накопичувачів енергії, а також будівництво біоелектростанцій (БЕС), що працюють на біомасі.

Обґрунтування доцільності вибору цих типів електростанцій на основі аналізу природно-ресурсного потенціалу Київської області:

• Сонячні ресурси: Клімат області помірно-континентальний, із середньою тривалістю сонячного сяйва близько 1700–1900 годин на рік. Рівень сонячної інсоляції є цілком достатнім для ефективної роботи фотоелектричних панелей. Розміщення СЕС на дахах промислових підприємств, логістичних центрів та житлових будинків забезпечує децентралізовану генерацію, підвищуючи надійність енергосистеми регіону.
• Біоресурси: Київська область має потужний агропромисловий комплекс і велику кількість фермерських господарств. Це дає значні обсяги органічних відходів (солома, лушпиння соняшника, відходи тваринництва та птахівництва). Біоелектростанції та біогазові установки здатні стабільно виробляти електричну й теплову енергію цілодобово, незалежно від погодних умов.
• Обмеження для інших типів: Будівництво нових великих ТЕС є недоцільним через високе забруднення довкілля та дефіцит власного викопного палива в регіоні. Гідроенергетичний потенціал річки Дніпро вже максимально використаний діючим каскадом ГЕС та ГАЕС, а будівництво нових великих гребель призведе до затоплення цінних земель та екологічної шкоди. Середня швидкість вітру в області (3,5–4,5 м/с) є недостатньою для рентабельної роботи потужних промислових ВЕС.

Розвиток розподіленої мережі сонячної та біогазової енергетики є оптимальним рішенням для забезпечення енергетичної безпеки та екологічної стійкості Київської області.