Некоторые из этих факторов влияют на полное потребление электроэнергии, в то время как другие определяют относительное значение базисного потребления. Экономика требует, чтобы потребности в энергии удовлетворялись, насколько это возможно, из базисного уровня производства электроэнергии, с возможным подключением в некоторых случаях резервных возобновляемых источников.

2.2 Снабжение электроэнергией

Из-за больших флуктуаций в потреблении электроэнергии в течение дня, необходимо иметь несколько типов электростанций, покрывающих как базисные и промежуточные, так и пиковые нагрузки. Базисные нагрузки обычно компенсируются крупными электростанциями на уровне их номинальной мощности. В Австралии, например, это тепловые электростанции, работающие на органическом топливе, в то время как в Канаде это комбинация атомных электростанций, гидроэлектростанций и тепловых электростанций. Станции для снабжения промежуточных и пиковых нагрузок должны выравнивать общие нагрузки в сети при нескольких включениях в течение суток. Для этих целей используются различные методы и устройства, включая газовые турбины, паровые котлы, работающие на жидком топливе, гидроэлектростанции. Оборудование для компенсации пиковых нагрузок характеризуется низкой стоимостью основных средств, и относительно высокой стоимостью топлива. Станции же для базисного снабжения электроэнергией разрабатываются таким образом, чтобы минимизировать стоимость топлива, а относительно высокая стоимость основных средств может быть скомпенсирована доходами от производства и продажи энергии в течение нескольких лет.

Самую дешевую электроэнергию потребитель получает в том случае, когда возрастание пиковой нагрузки очень мало, и установившийся базисный уровень потребления достаточен для бесперебойных поставок энергии. Однако, любая действующая система энергоснабжения должна учитывать возможные аварийные и профилактические остановки оборудования. Базисные электростанции в Виктории (Австралия), например, составляют более половины всех генерирующих мощностей и производят более 85 процентов полного производства электроэнергии. Примерно одна третья часть генерирующих мощностей используется для компенсации промежуточных нагрузок в течение суток. Пиковые нагрузки компенсируются имеющимся небольшим резервом энергии в моменты значительного увеличения потребления электроэнергии. Система энергоснабжения в Виктории достаточно типична для многих развитых стран. Стоимость оборудования электростанций пиковой нагрузки, типа газовых турбин, примерно в два раза ниже стоимости базовых станций, работающих на угле. Кроме того, такие станции достаточно быстро строятся и вводятся в эксплуатацию. Однако, стоимость газового топлива намного дороже стоимости угля, затраченного на единицу произведенной энергии. Использование современных газотурбинных установок, имеющих более высокую эффективность, может уменьшить это различие. В местах, где позволяют географические условия местности, можно создавать запасы воды в водохранилищах и использовать ее для производства электроэнергии с помощью гидроэлектростанций для компенсации пиковых нагрузок. Стоимость таких станций может быть столь же низка как и стоимость электростанций, использующих газовое топливо, а их эксплуатация позволит увеличить продолжительность вклада базовых станций в общую нагрузку электрической сети.

Рисунок 3. График нагрузки Викторианской (Австралия) электросети

График нагрузки Викторианской (Австралия) электросети в течение одного зимнего буднего дня. Показаны относительные вклады пиковой, промежуточной и базовой нагрузки. Форма кривой заметно изменяется в соответствии с характером потребления электроэнергии: пики отражают увеличение потребления в течение дня, связанное с необходимым отоплением помещений. Заметим, что при базисном потреблении приблизительно в 4100 МегаВатт, общее производство электроэнергии должно иметь резерв, по крайней мере, на 50 % больше этой величины. Последнее может быть обеспечено дополнительной электростанцией с промежуточной загрузкой мощности или регулируемым выходом мощности основной электростанции. Максимальные нагрузки обычно компенсируются дополнительными гидро- или газо-турбинными генераторами. Конкуренция на рынке производителей электроэнергии, несомненно, может способствовать принятию более оптимальных решений при определении необходимых источников дополнительной энергии в моменты пиковых нагрузок.

Различные способы рационального использования базисных электростанций дают им возможность работать в соответствии с нагрузкой в сети, варьируя свою выходную мощность. Как и в других отраслях промышленности, в производстве электроэнергии действуют свои экономические законы. Большие паровые энергоблоки уменьшают себестоимость произведенной электроэнергии, особенно если они используются на базисных электростанциях. Их местоположение, как правило, определяется вблизи источников топлива и охлаждающих водоемов. Однако, большие электростанции требуют для их эффективной эксплуатации протяженных линий транспортировки электроэнергии и возможностей ее преобразования. Следовательно, имеется достаточно много условий, при которых экономические достоинства мелкосерийных газовых генераторных станций будут преобладающими.

2.3 Топливо для производства электроэнергии сегодня

В этой книге рассматриваются преимущественно вопросы производства электроэнергии в индустриально развитых странах и густонаселенных областях Северной Америки, Восточной Европы и Азии. В этих странах топливная генерация электроэнергии составляет более 40 % от полного количества магистральных поставок. Австралия в этом смысле "удачная" страна из-за наличия больших открытых месторождений угля вблизи главных городских центров в восточных штатах. Это дало возможность разместить основные электростанции вблизи угольных месторождений и, таким образом, минимизировать экономические потери на транспортировке больших количеств угля. Энергетические потери при передаче электроэнергии также относительно низки.

Канада имеет богатые запасы органических и гидро топливных ресурсов на большей части своей территории. Однако, эти ресурсы в значительной степени истощились в провинции Онтарио к середине 1970-ых, и с того времени ядерная энергетика стала главным источником электроэнергии в Онтарио. Однако, многие густонаселенные части планеты, такие как Япония, многие районы Европы и Северной Америки не так удачно расположены относительно месторождений органического топлива. Высокая плотность населения и темпы индустриализации ограничивают привлекательность угля не только по соображениям его стоимости, но и с точки зрения загрязнения окружающей среды (см. также главу 6). Поэтому желательные требования к топливу, используемому для производства электроэнергии в густонаселенных и индустриально развитых странах, могут быть представлены следующим образом:

• Топливо должно быть относительно дешевым, и давать дешевую энергию.
• Если топливо не может быть расположено вблизи электростанции, то оно должно представлять собой сконцентрированный источник энергии, который можно экономно транспортировать и надежно запасать.
• Топливо не должно иметь дефицита ресурса и альтернативных вариантов применения (простое сжигание или химические превращения).
• Отходы от применения топлива должны утилизироваться таким образом, чтобы они производили минимум загрязнения окружающей среды и исключали влияние и на глобальное потепление планеты.
• Топливо должно быть безопасным, как при обычной эксплуатации, так и в аварийных случаях.