Потребность в энергии

Согласно данным Международного энергетического агентства, Управления энергетической информации США и Европейского агентства по окружающей среде, общее потребление энергии из ископаемых источников, атомной энергии и возобновляемых источников в 2008 году составляло 143,8 ПВт-ч, таблица ниже показывает соотношение между различными источниками энергии.

Год	Ископаемые	Атомные	Возобновляемые	Итого
1990	83,3	6,1	13,1	102,5
2000	94,5	7,8	15,3	117,6
2008	117,1	8,3	18,5	143,9

Потребление энергии наибольшими потребителями по странам мира

Таблица ниже показывает потребление электрической энергии странами, являющимися наиболее крупными потребителями, в 1990 и 2008 годах и указан рост потребления.

Страна	1990 (ПВт-ч)	2008 (ПВт-ч)	Прирост, %
США	22,3	26,6	20
ЕС(27 стран)	19,0	20,4	7
Ближний восток	2,6	6,9	170
Китай	10,1	24,8	146
Латинская америка	4,0	6,7	66
Африка	4,5	7,7	70
Индия	3,7	7,2	91
Прочие	36,1	42,2	17
----	----	----	----
Весь мир	102,3	142,3	39

Потенциал возобновляемых источников энергии

В то время, как оценки оставшегося количества невозобновляемых ресурсов разнятся и оцениваются примерно как 0,4 ИДж, а доступные ядерные ресурсы составляют более 2,5 ИДж, то этого количества ресурсов при условии сохранения скорости роста потребления электрической энергии на 39% за 18 лет хватит немногим более чем на 3 века.

При этом следует учесть, что ежегодное количество солнечной энергии, падающее на Землю, составляет 3,8 ИДж, что значительно превышает все известные запасы полезных ископаемых и в 8 тысяч раз превышает текущую потребность в энергоресурсах.

Использование энергии по отраслям экономики

Несмотря на то, что промышленные установки имеют гораздо большую мощность, чем домашние устройства, наибольшая доля энергии расходуется именно на личные нужды. График ниже показывает структуру использования энергии в 2000 и 2008 году в ТВт-ч.

Отрасль экономики	2000	2008
Промышленность	21 773 (26,5%)	27 273 (27,8%)
Транспорт	22 563 (27,5%)	26 742 (27,3%)
Личные нужды	30 555 (37,3%)	35 319 (36,0)
Прочее	7 119 (8,7%)	8 688 (8,9%)

Ежедневная потребность в электроэнергии

Общее потребление электрической энергии в большинстве европейских стран составляет около 2 000 кВт-ч на человека (около 5,5 кВт-ч в день), но отличается от 7 467 кВт-ч на человека в Норвегии, где электричество дешёвое и используется для отопления домов, до 352 кВт-ч на человека в Румынии, где доходы значительно ниже, а электроэнергия дороже. Средняя населённость домов в Европе составляет 2,6 человека, что означает, что среднее домохозяйство потребляет 14,2 кВт-ч электроэнергии в день.

Электростанция мощностью 1 ГВт, работающая с коэффициентом заполнения 0,8, сможет обеспечить 1,3 миллиона домохозяйств в Европе или 640 тысяч домохозяйств в США.

Домашние потребители электрической энергии

Таблица показывает электропотребление типичных устройств в домашнем хозяйстве.

Применение	Мощность, Вт	Среднее время работы, часов/сутки	Энергопотребление кВт·ч
Нагрев и охлаждение
----	----	----	----
Нагревательный водяной насос	120	8	0,96
Погружной нагреватель	3 000	2	6
Накопительный нагреватель 1,7 кВт	1 700	7	11,9
Накопительный нагреватель 2,5 кВт	2 500	7	17,5
Накопительный нагреватель 3,4 кВт	3 400	7	23,8
Электродеяло	180	1	0,18
Кондиционер (сплит-система) (2 комнаты)	3 000	8	24
Освещение
----	----	----	----
Внутреннее (14 ламп по 60 Вт)	840	6	5,04
Наружное и аварийное освещение	300	2	0,6
Кухонные устройства
----	----	----	----
Варочная панель	3 000	0,6	1,8
Духовка	5 000	0,4	2
Микроволновая печь	1 700	0,2	0,34
Гриль	1 000	0,1	0,1
Вытяжной вентилятор	200	0,3	0,06
Посудомоечная машина	1 000	3	3
Стиральная машина	1 000	1,5	1,5
Сушилка для белья	3 000	1	3
Холодильник	4	1,2
Морозильная камера	400	4	1,6
Миксер	500	0,04	0,02
Чайник	3 000	0,25	0,75
Кофе-машина	800	0,25	0,2
Утюг	2 000	0,25	0,5
Тостер	1 000	0,02	0,02
Уничтожитель мусора	500	0,04	0,02
Другие устройства
----	----	----	----
Электронож	120	0,01	0,0012
Электрооткрывалка	120	0,01	0,0012
Хлебопечка	700	1	0,7
Машина для приготовления мороженого	500	0,01	0,005
Электрический противень	1 500	0,01	0,015
Фритюрница	3 000	0,01	0,03
Большие портативные устройства
Пылесос	1 200	0,2	0,24
Швейная машина	150	0,01	0,0015
Ванная комната
----	----	----	----
Насос для душа	500	0,4	0,2
Электрический душ с нагревателем	9 000	0,2	1,8
Нагреватель для ванной	2 000	0	0
Личная гигиена
----	----	----	----
Фен	1 500	0,05	0,075
Плойка	350	0,1	0,035
Бритва	13	0,05	0,00065
Электрическая зубная щётка	13	0,05	0,0065
Часы	3	24	0,072
Компьютерное оборудование
----	----	----	----
Настольный компьютер	300	3	0,9
Ноутбук	100	2	0,2
Принтер	200	0,1	0,02
Сканер	100	0,04	0,004
Факс	60	0,1	0,006
Радиооборудование	10	24	0,24
Развлечения
----	----	----	----
Телевизор (2 комплекта)	600	5	3,0
DVD	200	1	0,2
Аудиоустройства	100	1	0,1
Видеоигры	50	1	0,05
Режимы ожидания
----	----	----	----
Телевизор	3	24	0,072
DVD	3	24	0,072
Радио	3	24	0,072
Цифровая приставка (приёмник)	3	24	0,072
Факс	3	24	0,072
Беспроводной телефон (4)	12	24	0,288
Автоответчик	3	24	0,072
Компьютер	6	24	0,144
Принтер	3	24	0,072
Кухонные устройства (3)	9	24	0,072
Часы с будильником	5	24	0,12
Зарядные устройства
----	----	----	----
Беспроводной инструмент	100	0,05	0,005
Переносной пылесос	100	1	0,1
Аварийное освещение	3	24	0,072
Ноутбук	3	24	0,072
Мобильные телефоны (2)	6	24	0,144
Инструменты
----	----	----	----
Дрель	750	0,02	0,015
Шуруповерт	250	0,02	0,005
Циркулярная пила	1 000	0,001	0,001
Лобзик	400	0,001	0,0004
Плоскошлифовальная машина	400	0,001	0,0004
Цепная пила	800	0,001	0,0008
Угловая шлифовальная машина	800	0,001	0,0008
Рубанок	800	0,001	0,0008
Моечная машина	1 500	0,02	0,03
Садовый инструмент
Газонокосилка	1 000	0,1	0,1
Воздуходувка (листья, снег)	500	0,001	0,0005
Триммер	500	0,01	0,005
Водяной насос (фильтр)	50	24	1,2
Водяной насос (фонтан)	50	24	1,2
Различные
----	----	----	----
Водяной насос (колодец)	200	3	0,6
Вентилятор	100	0,05	0,005
Переносной обогреватель	2 000	0,05	0,1
Устройство открывания двери гаража	500	0,05	0,025
Электродвигатели (джакузи, игрушки)	200	0,05	0,01
Системы безопасности
----	----	----	----
Датчики	10	24	0,24
Плавательный бассейн
Насосы (2)	200	12	2,4
Подогрев	4 500	6	27
----	----	----	----
Всего			146,9809

Профили потребления (графики нагрузки)

Графики ниже показывают типичный профиль электропотребления домашнего хозяйства, учитывающий каждые две минуты. Электропотребление индивидуального хозяйства

Довольно затруднительно генерировать электрическую энергию в соответствии с пиками электропотребления отдельного хозяйства. К счастью, общее электропотребление индустриальных и домашних потребителей в некоторой мере имеет сглаженную форму и, несмотря на то, что электропотребление изменяется как в течение дня, так и в течение года, оно в целом соответствует определённому шаблону.

В то время как общее электропотребление сглаживает индивидуальные всплески, потребление днём обычно в два раза больше, чем ночью.

Малые автономные генераторные системы

Малые генераторные системы не имеют возможности сглаживать собственную выработку комбинированием потребностей нескольких потребителей. Решением является прерывистое электроснабжение со сглаживанием пиков с использованием батарей для обеспечения буфера для хранения энергии, из которого она может быть получена по требованию для устранения непосредственной связи с генератором.

Автономные системы обычно используют энергию солнца или ветра и из-за этого имеют недостатки прерывистого поступления энергии, как и прерывистой нагрузки. Использование батарей позволяет сгладить эти недостатки и обеспечивать непрерывность электроснабжения.

Согласование нагрузки

Электрические генераторные системы должны удовлетворять предъявляемым к ним требованиям, соответствовать качеству и количеству услуги по обоснованной цене всё время за исключением экстремальных случаев. В терминах генерируемой ёмкости, это означает, что снабжение должно следовать за нагрузкой. К сожалению, время пиков редко соотносится с возможностями их электроснабжения.

Характеристика потребления

Как упомянуто выше, общее электропотребление соответствует определённому шаблону с вариациями потребления в течение дня. Наложение дневного шаблона меньше, более длинные, сезонные вариации, с большим потреблением на нагрев и освещение зимой, и с кондиционированием воздуха в отдельных регионах летом, больше. Потребление некоторых больших индустриальных потребителей так же может быть циклическим, следуя за потребностями устройств. Опыт управления и статистические данные от локальных источников о тенденциях экономического роста могут помочь создать обоснованные прогнозы электропотребления. Кроме этого учитывается вероятность непредвиденных ситуаций, происшествий, природных катаклизмов или остановки оборудования.

Характеристика электроснабжения

Генерируемые мощности с другой стороны стремятся быть постоянными, поскольку планирование, установка и ввод в эксплуатацию новых мощностей занимает несколько лет. Это означает, что установленных мощностей должно быть достаточно для электроснабжения нагрузки, предполагаемых максимумов в потреблении и неизбежных последствий во время работы в дневных и сезонных периодах низких нагрузок, что приводит к неэффективному использованию капитала и отражается на цене электроэнергии.

К счастью, эти цены могут быть уменьшены с помощью разнообразия возможностей генерирования и обеспечения гибкости планирования.

Возможности планирования

• Основная нагрузка

  Основная нагрузка обычно снабжается наиболее новыми и эффективными генерирующими устройствами, работающими в оптимальных диапазонах.

• Системы контроля мощности

  Несмотря на возможность контроля генерирования электроэнергии, оно может быть только повышено относительно мощности в локальной системе. Если электропотребление в системе выше, чем максимально возможное количество генерируемой электроэнергии, необходимо применять другие меры.

• Сеть

  Электрическая сеть была создана для того, чтобы позволить регионам с избытком энергии экспортировать мощность в регионы с её недостатком. Это могло быть временной мерой, когда один регион нуждался в электроснабжении в периоды недостатка или экстренных случаев, или могла быть долговременной стратегией для регионов с несколькими или неэффективными ресурсами, которые могли бы покупать энергию более эффективных или дешёвых ресурсов. Долговременные транзиты энергии могут быть причиной постоянных потерь энергии в сетях электроснабжения.

• Прерывистые источники энергии

  В последние годы увеличивается количество генерирующих мощностей на основе возобновляемых источников энергии. Кроме доступности гидроэлектрической энергии, которая является предсказуемой и контроллируемой, солнечная и ветровая энергия доступны только когда это позволяет погода. По этой причине практически никогда не появляется возможности соразмерить потребление и выработку. Единственным способом включить эти источники в систему является обеспечение альтернативного хранилища энергии, известного как вращающийся резерв, для обеспечения энергией когда солнце не светит или нет ветра, или для обеспечения хранилища энергии (батареи и альтернативы) для накопления пиков выработки и контролируемого электроснабжения в необходимые периоды.

• Вращающиеся резервы

  Вращающиеся резервные станции обеспечивают генерацию мощности, которая может быть подана в сеть с небольшими исключениями. Они необходимы для сглаживания регулярных ежедневных пиков потреблния, которые не могут быть сглажены основными генераторами. Поэтому в их качестве могут применяться старые и менее эффективные генерирующие мощности.

• Выравнивание нагрузки

  Выравнивание нагрузки может осуществляться несколькими способами для соотнесения выработки и потребления. Оно включает перемещение потребления с пиковых периодов на провалы, таким образом, сглаживая кривую потребления. Срезание пиков, умные сети и хранилища энергии являются примерами этих систем. Подробнее ниже.

• Ограничение пиковой нагрузки

  Энергостанции, разработанные для энергоснабжения мощностью называются ограничивающими пиковую нагрузку. Обычно это газотурбинные электростанции, которые могут быть подключены к сети очень быстро в случаях незапланированного электропотребления. Большие индустриальные потребители, которые покупают электроэнергию по плавающим ценами, которые становятся выше, если электропотребление повышается, могут использовать собственные высокоэффективные генерирующие мощности, когда потребление высоко и цена электроэнергии превышает их расходы на собственные мощности, переключаясь обратно к сети, когда потребление падает. Использование распределённой генерации в этом случае может снизить пиковую нагрузку, поэтому такие системы называются ограничивающими. Превосходным способом повысить эффективность работы таких систем является их включение в сеть, что позволяет повысить объём генерации мощности и позволяет использовать сеть при низкой загрузке.

• Умные сети

  Умные сети активно рекламируются министерством энергетики США и их целью является достижение того же уровня автоматизации, который был достигнут в телефонных сетях.

  Вместо достижения соответствия электроснабжения и потребления, целью умных сетей является установка соответствия потребления доступной мощности используя технологию изменения цены для достижения наибольшей эффективности использования капитала. Потребители используют электроэнергию в определённое время в зависимости от потребления других. Этот метод требует специальных технологий измерения для отслеживания потребления и программных систем для информирования пользователя относительно текущей цены для обеспечения возможностей коррекции потребления.

  Основной целью является обеспечение гибкости профиля потребления, а так же обеспечения возможности установления цены в зависимости от доступности или текущего потока ветра или солнца для побуждения потребителей использовать эту энергию когда она доступна.

  Для успешного применения умных сетей требуется воплощение нового уровня автоматизации в распределительных сетях с двухсторонним взаимодействием до конечного потребителя.

• Транспортные сетевые системы

  Эти системы в настоящее время находятся в стадии серьёзного обсуждения, как и умные сети. в частности, в США, для использования в частном пассажирском электротранспорте для обеспечения выравнивания нагрузки в электрических сетях. Идея заключается в зарядке батарей электротранспорта ночью, когда потребление ниже и существует избыток генерирующих мощностей, называемое «заполнением минимума» и позволяя отбирать энергию от батареи и отправлять в сеть во время дневных пиков, когда потребление высоко, снижая таким образом необходимую генерирующую мощность, то есть \laquoсглаживая пики». Эта идея может звучать очень привлекательно в теории, практически требуется значительное количество исследований прежде чем это можно будет воплотить в практике. Эта идея зависит от следующих этапов:

• Количество электромобилей должно быть высоко

• Батареи должны обладать высокой ёмкостью (20-50 кВт-ч), гибридные

  электромобили имеют значительно меньшую ёмкость (2 кВт-ч)

• Инфраструктура зарядно-разрядных станций, которые должны быть

  сосредоточены около рабочих мест и частных жилых домов

• Зарядно-разрядные системы (включая домашние) должны включать

  инвертор, если переменное напряжение будет возвращаться в сеть

• Умные компьютерные сети должны контролировать заряд батарей и

  управлять потоками энергии для того, чтобы электротранспорту всегда

  было достаточно энергии для возвращения домой

• Необходима автоматическая система счетов

• Пассажиры будут прибывать на работу с достаточным количеством

  оставшегося заряда в батареях, чтобы идея была привлекательной, с

  другой стороны это может привести к необходимости увеличения

  размеров дорогих батарей

• Пользователям необходимо подходящее оборудование и умные зарядные

  станции дома

• Пользователи должны понимать, что каждый зарядный-разрядный цикл,

  использованный системой, будет означать на один меньше для них для

  путешествий, и количество доступных зарядных циклов будет сообщаться

  системе в качестве основы для использования батареи. Это приведёт к

  снижению срока службы батареи и увеличению цены за цикл

  использования

• Должны быть достаточные финансовые преимущества для обеспечения

  причин пользователей присоединиться к проекту

• Должно быть достаточное количество пользователей электромобилей, присоединившихся к проекту

  Таким образом, не является секретом, что пользователи не стоят в очереди за новой технологией.

  Смотрите так же инфраструктуру для зарядки электротранспорта

• Хранение энергии

  Если не добавляется дополнительных генерирующих мощностей, батареи позволяют хранить избытки энергии до тех пор, пока они не понадобятся. Несколько батарей ёмкостью в несколько мегаватт-часов с обычным электролитом были установленны в некоторых странах, в основном для обеспечения энергоснабжения секретных объектов. Мобильные батареи ёмкостью до 1 МВт-ч могут быть установлены в транспортные контейнеры и использованы для экстренного питания.

  Рост использования ветровой и солнечной энергии выдвинул необходимость создания батарей для выравнивания нагрузки и обесечения возможности работы этих источников энергии совместно с сетью электроснабжения.

  Циклическая эффективность батарей обычно достигает 80-90%. Для батарей высокой ёмкости эти значения обычно ниже.

  Более подробно методы хранения больших количеств энергии рассмотрены в разделе альтернативных методов хранения энергии.

• Аварийные генераторы

  Низкомощные генераторы обычно используют поршневые двигатели, в то время как газовые турбины могут использоваться для высокомощных систем аварийного энегоснабжения.

• Сбрасывание нагрузки (частотная разгрузка)

  Последней мерой, в случае, если потребление превышает выработку, является отключение некоторых пользователей. Системы частотной разгрузки включаются, если частота напряжения падает ниже установленного предела, отключая группу потребителей. Если частота продолжает падать, отключается следующая группа и так далее.

Смотрите так же эффективность электростанций.