§ 19. Паливно-енергетичний баланс. Електроенергетика

• До змісту відповідей

ПРАКТИКУЙМО

Проаналізуйте діаграму (мал. 94) і дайте відповіді. Які зміни у структурі споживання енергії відбуваються у світі протягом останніх десятиліть? Як ці зміни пов’язані з розвитком екологічної свідомості та технологій?

Частка вугілля у світовому споживанні поступово скорочується, хоча воно досі становить 27%. Домінуючими залишаються нафта і природний газ, які сумарно забезпечують понад 50% енергобалансу. Водночас зростає споживання газу як найбільш екологічного викопного палива, а також частка гідроенергії, відновлюваних джерел енергії (15%) та атомної енергії (4%).

Екологічна свідомість спонукає країни відмовлятися від «брудного» вугілля для зменшення викидів вуглекислого газу та протидії кліматичним змінам. Розвиток технологій дозволив здешевити виробництво сонячних панелей і вітрогенераторів, зробити видобуток і використання газу безпечнішими та впроваджувати енергоефективні рішення.

1. Охарактеризуйте ситуацію: у країнах Азії та Африки офіційна статистика не враховує значні обсяги спалювання дров як джерела енергії. Які наслідки це може мати для глобального аналізу енергобалансу, екологічної ситуації в цих регіонах, прогнозування кліматичних змін?

Для глобального енергобалансу це спотворює статистику, занижуючи реальну частку біомаси та традиційних відновлюваних джерел у загальному енергоспоживанні людства.
Для екологічної ситуації в регіонах це призводить до масового вирубування лісів, посилення водної та вітрової ерозії, опустелювання земель і сильного забруднення повітря продуктами горіння.
Для прогнозування кліматичних змін неврахування цих обсягів веде до недооцінки фактичних викидів парникових газів і сажі, що спотворює кліматичні моделі.

2. Подумайте, чи реально людству найближчими десятиліттями перейти на повністю безвуглецеву енергетику. Підкріпіть свою думку фактами з тексту параграфа та інформацією з інтернету.

Найближчими десятиліттями повністю перейти на безвуглецеву енергетику нереально.

Викопне паливо (нафта, газ, вугілля) забезпечує переважну більшість світового енергоспоживання, а вугілля досі становить 27%. Великі промислові країни, зокрема Китай та Індія, продовжують споруджувати вугільні ТЕС для забезпечення зростаючої економіки. Частка АЕС (4%) та відновлюваних джерел (15%) поки недостатня, щоб компенсувати викопне паливо. Крім того, сонячні та вітрові електростанції залежать від погоди й не можуть замінити моторне та технологічне пальне для транспорту й металургії без тривалого впровадження водневих технологій і біопалива. Енергетичний перехід триватиме щонайменше століття.

Проаналізуйте діаграму (мал. 95) і дайте відповідь. Визначте, як змінюється споживання енергоресурсів розвиненими країнами (країни ОЕСР), а як — країнами, що розвиваються. Який прогноз роблять для 2035 року?

Споживання енергоресурсів розвиненими країнами (країнами ОЕСР) залишається майже незмінним і стабільним завдяки енергозбереженню, енергоефективним технологіям та переходу на сферу послуг. Споживання країнами, що розвиваються, стрімко зростає через швидке збільшення чисельності населення та зростання промислового виробництва.

За прогнозом на 2035 рік, глобальне енергоспоживання суттєво зросте, і майже весь цей приріст забезпечать країни, що розвиваються (зокрема Китай та Індія), тоді як частка розвинених країн у світовому балансі відчутно скоротиться.

Розгляньте в атласі карту «Електроенергетика світу», проаналізуйте діаграми «Структура виробництва електроенергії» на території держав. Які закономірності ви побачили в розміщенні різних типів електростанцій?

✏️ Розміщення електростанцій залежить від природно-ресурсного потенціалу, технологічного рівня та екологічної політики країн:

1. ТЕС переважають у країнах з великими власними запасами вугілля або газу (Китай, Індія, ПАР, Австралія, Польща, США, країни Перської затоки).
2. ГЕС зосереджені в гірських районах та басейнах повноводних річок із великими перепадами висот (Норвегія, Бразилія, Канада, Таджикистан, Киргизстан, Австрія, Швейцарія).
3. АЕС розміщені переважно у високорозвинених країнах із високим науково-технічним потенціалом і дефіцитом власного викопного палива (Франція, Бельгія, США, Республіка Корея, Японія, Україна).
4. ВЕС і СЕС активно споруджують у регіонах зі сприятливими кліматичними умовами (морські узбережжя й шельф для офшорних ВЕС у Великій Британії та Данії, сонячні посушливі райони Півдня Європи, Китаю та США).

1. Розрахуйте. ТЕС споживає 1 млн тонн вугілля за рік. Із 1 тонни вугілля виробляють 2,5 МВт ⋅ год електроенергії. Скільки електроенергії виробляє станція за рік? Якщо замінити 30% вугілля на газ, то як це змінить екологічний вплив на довкілля?

✏️ Дано:
Річна витрата вугілля (m) = 1 000 000 т
Питомий виробіток електроенергії ($w$) = 2,5 МВт·год/т
Частка заміни на природний газ = 30%

Знайти:
Річний виробіток електроенергії ($E$)
Зміна екологічного впливу

Розв’язання:

1. Обчислюємо річний обсяг виробництва електроенергії станцією:
   $E = 1 000 000 \text{ т} \times 2,5 \text{ МВт}\cdot\text{год/т} = 2 500 000 \text{ МВт}\cdot\text{год}$ (або 2,5 млрд кВт·год).
2. Заміна 30% вугілля на газ суттєво покращить екологічний стан довкілля:

• Природний газ є найбільш екологічним паливом з-поміж викопних ресурсів і дає значно менше викидів вуглекислого газу порівняно з вугіллям.
• Повністю зникнуть викиди попелу, важких металів, сажі та сполук сірки на заміщеній частці палива.
• Зменшаться площі земель під складування токсичних золошлакових відходів.

Відповідь: станція виробляє 2 500 000 МВт·год електроенергії за рік. Заміна 30% вугілля газом знизить викиди парникових газів, ліквідує пилові та сірчані викиди від цієї частини палива й зменшить нагромадження золи.

2. Змоделюйте ТЕС майбутнього, яка не забруднює повітря, працює на нетрадиційному паливі, займає мінімум місця.

Модель компактної міської біометаново-водневої ТЕС:

1. Станція працює на суміші біометану та «зеленого» водню, тому під час горіння утворюються лише водяна пара та мінімальний обсяг вуглецю природного походження.
2. Замість громіздких пиловугільних котлів встановлено високоефективні газові мікротурбіни, що дає змогу розмістити енергоблок в одній компактній модульній споруді або під землею.
3. Охолодження реалізовано за закритою сухою схемою без виділення сотень гектарів під ставки-охолоджувачі.
4. Станція працює в режимі когенерації, постачаючи електрику та тепло безпосередньо сусіднім житловим кварталам без довгих тепловтратних трас.

Поясніть. Як ви вважаєте, чи можуть новітні невеликі АЕС стати вирішенням енергетичної кризи в Європі? Спробуйте пошукати інформацію в джерелах інтернету.

Так, новітні малі модульні реактори (ММР) можуть стати важливим рішенням кризи. Вони виготовляються фабрично модульними блоками, значно швидші й дешевші у зведенні, займають мало місця та мають системи пасивної безпеки, що виключають масштабні аварії. ММР здатні забезпечити стабільну базову генерацію без викидів вуглекислого газу, замінити старі вугільні блоки й зменшити імпорт викопного газу в європейські країни.

ДПА / НМТ

Підсумки 2022 року: атомна енергія знову в тренді. Які тези з виступів на енергетичному форумі європейських країн є аргументами щодо відродження атомної енергетики в регіоні? Оберіть у переліку правильні твердження.

• «необхідно зменшити залежність від імпорту природного газу, передусім з Росії»
• «АЕС майже не викидають вуглекислого газу та вписуються в політику вуглецевої нейтральності»

РОБОТА В ГРУПІ

Проведіть дискусію «ГЕС — джерело «чистої» енергії чи екологічна пастка?». Утворіть дві команди. ЗА: ГЕС — це екологічно безпечна, надійна, відновлювана енергія. ПРОТИ: ГЕС — це руйнування екосистем, затоплення територій, зниження біорізноманіття.

Аргументи команди «ЗА»:

1. ГЕС використовують відновлювану енергію води і під час генерації не викидають в атмосферу парникових газів, диму та золи.
2. Вони виробляють найдешевшу електроенергію у світовій практиці.
3. Гідроелектростанції є найбільш маневровими та незамінними для покриття пікових навантажень в енергосистемі.
4. Водосховища ГЕС акумулюють воду для міст, зрошення сільгоспугідь і запобігають катастрофічним повеням нижче за течією.

Аргументи команди «ПРОТИ»:

1. Створення водосховищ вимагає затоплення великих площ родючих заплавних земель, лісів та переселення населення.
2. Греблі перекривають шляхи природної міграції риби та руйнують річкові екосистеми.
3. Сповільнення течії викликає замулення водойм, цвітіння води та накопичення забруднювачів на дні.
4. Аварії або навмисний підрив дамб несуть катастрофічні загрози затоплення міст і загибелі тисяч людей.

ПРАКТИКУЙМО

Запропонуйте ідеї для модернізації енергосистеми України з урахуванням сучасних технологій і безпеки. Скористайтеся текстом параграфа та джерелами інтернету.

1. Провести децентралізацію генерації: побудувати мережу невеликих газопоршневих, газотурбінних установок і когенераційних систем замість великих зруйнованих ТЕС.
2. Встановити промислові системи зберігання енергії (акумуляторні батареї) поруч із сонячними та вітровими станціями для балансування енергосистеми.
3. Добудувати заплановані енергоблоки на діючих Хмельницькій та Рівненській АЕС із застосуванням безпечних західних технологій.
4. Розвивати біоенергетику: будувати станції на біометані та відходах сільського господарства безпосередньо в аграрних регіонах.
5. Розгорнути автономні сонячні електростанції з накопичувачами струму на покрівлях лікарень, шкіл і водоканалів для надійного енергопостачання критичної інфраструктури.

Складіть причинно-наслідковий ланцюг. Високе використання вугілля → … → … → глобальне потепління → необхідність енергетичного переходу.

✏️ Високе використання вугілля → збільшення вмісту вуглекислого газу → посилення парникового ефекту → глобальне потепління → необхідність енергетичного переходу.

Запропонуйте власні ідеї використання одного з видів відновлювальної енергії у своїй області чи громаді. У якому місці реалізуєте проєкт? Яку проблему він розв’яже?

Встановлення сонячної електростанції з гібридними інверторами та акумуляторними батареями на дахах корпусів опорної міської лікарні та місцевої фільтрувальної станції водоканалу.

Місце реалізації: дахи головного лікувального корпусу центральної лікарні та резервуарів насосної станції громади.

Проблема, яку розв’язує проєкт: гарантує автономне електроживлення операційних блоків, реанімації та безперебійне водопостачання мешканців у періоди блекаутів чи аварій, а також заощаджує кошти місцевого бюджету на оплату електроенергії.