# Энергетическая эффективность

## Поток энергии

Большое количество доступных энергетических ресурсов теряется благодаря неэффективным способам преобразования и распределения энергии. Рассматривая домашнее электрическое освещение как популярный пример, оказывается, что только 1% потреблённой электроэнергии преобразуется в свет, остальные 99% теряются по пути преобразования. При использовании электростанций на ископаемом топливе, потери распределяются следующим образом:

* 10% энергии топлива теряется в камере сгорания и только 90% теплового содержания преобразуется в пар
* Эффективность преобразования энергии пара в механическую энергию паровой турбины ограничена значением около 40% ([Цикл Карно](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/history.md#carnot))
* Вращающийся электрический генератор является очень эффективным при сравнении с другими способами; его эффективность может достигать 95%
* Передача электрической энергии по распределительным сетям между электростанцией и потребителем приводит к распределительным потерям в размере около 10% по длине электрических кабелей и воздушных линий
* Дальнейшие потери энергии происходят при преобразовании в устройствах потребителя. Лампы накаливания преобразуют только 2% электрической энергии в свет.

Более детально потери рассмотрены ниже

## Эффективность выработки электроэнергии <a href="#generation" id="generation"></a>

Эффективность выработки электрической энергии η является зависимостью между выработанной полезной электрической мощностью за определённое время и потреблённой генерирующим устройством энергией за это же время.

Для генераторов на основе паровых турбин эффективность может достигать 65% при любых видах топлива.

Максимальный теоретический КПД более детально определён в [цикле Рэнкина](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/history.md#rankine). Для современных систем это около 40%, но он гораздо меньше для более старых электростанций.

Эффективность снижается, если используются топлива с меньшим содержанием энергии, например, [биомасса](../../vozobnovlyaemaya-energiya/biofuels#biofuels) используется для выработки тепловой энергии.

## Сравнение эффективности <a href="#comparison" id="comparison"></a>

Таблица показывает теоретическую эффективность преобразования различных источников энергии различными методами в электрическую энергию.

![](https://3455823404-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MMZeXDA-8_D2eSijZss%2Fsync%2Fdd0374ad4ae1b73f90bc7e39fea3a592ce783ba6.png?generation=1605859207027540\&alt=media)

Смотрите так же [цену энергии](../../electrical-energy/energy-resources#costs).

## Эффективность выработки электрической энергии <a href="#utilisation" id="utilisation"></a>

В практике установки по выработке электрической энергии редко достигают теоретической ёмкости мощности в длительном интервале из-за изменений в потреблении и необходимости отключения оборудования время от времени для проведения плановых обслуживаний или аварийных ремонтов. Следующие значения используются для оценки эффективности генерирования энергии.

### Коэффициент заполнения (ёмкость) <a href="#capacity" id="capacity"></a>

Коэффициент заполнения является рабочей эффективностью, которая показывает возможность генерирующей установки вырабатывать полную мощность. Она является просто отношением реальной выходной энергией генератора за определённый период времени, к теоретическому значению выходной энергии машины при работе с полной загрузкой за тот же период времени. Она показывает надёжность источника.

Коэффициент заполнения обычных ядерных или угольных электростанций может достигать более 80%, в то время как коэффициент заполнения ветровых или солнечных электростанций зависит от их конструкции и размеров и обычно меньше 40%, зачастую составляет 25%. Это означает, что ветровая турбина мощностью 1 МВт в лучшем случае выработет столько же энергии, сколько угольная электростанция мощностью 500 кВт за одинаковый длительный период времени, возможно, и меньше.

### Коэффициент загрузки <a href="#load" id="load"></a>

Коэффициент загрузки показывает насколько ёмкость электростанции (коэффициент заполнения) соответствет потреблению. Это отношение показывает отношение средней загрузки к максимальному значению за определённый интервал времени. Низкие значения коэффициента свидетельствуют о неэффективности использования электростанции и капитала.

### Базовая (основная) нагрузка <a href="#base" id="base"></a>

Различные типы генераторов работают в разных диапазонах загрузки в зависимости от политики генерирования энергии компании. Высокоэффективные генераторы обычно снабжают энергией основную нагрузку сети непрерывно и работают при высоких значениях коэффициентов загрузки.

### Пиковая нагрузка

[Шаблоны потребления (графики нагрузки)](..#demand) более детально рассмотрены на странице электропотребления, а в разделе [установки соответствия выработки потреблению](..#matching) указаны возможности питания пиковых нагрузок. Обычно электростанции, снабжающие пиковые нагрузки, работают с низким коэффициентом загрузки и являются устаревшими, поэтому менее эффективными, и наиболее подходящи для этих условий.

### Запас мощности электростанций <a href="#margin" id="margin"></a>

Использование мощности в электрической сети и генерирование её электростанцией всегда будет меньше максимальной мощности электростанции, чтобы обеспечить возможность работы даже если некоторые электростанции будут отключены или в случаях неожиданных всплесков потребления. Планируемый избыток мощности известен как запас мощности электростанции.

Запас мощности является показателем защищённости источника. Это значение показывает, насколько установленная мощность больше предполагаемых пиков и выражается в процентах. Не менее 20% резерва мощности должно быть предусмотрено для избежания отключений и потенциальных перегрузок электрической сети. Высокие значения резерва приводят к ухудшению эффективности работы станции и низкому коэффициенту загрузки.

## Эффективность распределения электрической энергии <a href="#distribution" id="distribution"></a>

### Потери в сетях электроснабжения

Сопротивление кабелей и воздушных линий между электростанцией и конечным потребителем создаёт дополнительные потери тепла за счёт нагрева соединяющих кабелей и проводов. Существует два основных фактора, влияющих на них.

*   Расположение

    Сопротивление кабелей увеличивается с расстоянием, поэтому потери обычно составляют около 5% для городских потребителей, расположенных близко к электростанциям, и от 10 до 20% для удалённых потребителей.
*   Напряжение

    Поскольку выделяющееся количество теплоты пропорционально квадрату тока, потери на распределение могут быть уменьшены за счёт передачи энергии меньшим током при более высоком напряжении. Верхний предел устанавливается электрической прочностью воздуха между проводами, силовыми кабелями и землёй или точками опоры.

    При более высоких значения напряжений появляются дополнительные, меньшие по величине, потери [в меди и железе](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/machines.md#losses) трансформаторов, преобразующих уровни напряжений между генерирующей станцией и конечными потребителями, в обмотках, гистерезисе стали и вихревых токах в сердечниках трансформаторов.

## Эффективность использования энергии <a href="#efficiency" id="efficiency"></a>

Следующий пример показывает потери, вовлечённые в преобразование энергии от первичных источников на электростанциях до освещения у потребителя. Обычная лампа накаливания мощностью 60 Вт обеспечивает световой поток 15 люмен на один ватт. Общий световой поток таким образом составляет 900 люмен, которые эквивалентны около 1,35 Вт излучаемой мощности. Эффективность преобразования составляет около 2,25%. Оставшаяся энергия излучается в виде тепла. Принимая во внимание обычную эффективность генерирования электрической энергии на электростанциях в размере 35%, оставляя 10% на потери в распределительной сети, эффективность преобразования энергии составляет всего 0,7%.

![](https://3455823404-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MMZeXDA-8_D2eSijZss%2Fsync%2Fe6704482b550faccbec1e743452121abcaedc508.png?generation=1605859206950612\&alt=media)

Для сравнения, компактная люминисцентная лампа обеспечивает световой поток в размере 50-60 люмен на ватт. Использование таких ламп позволяет снизить энергопотребление с 60 до 15 Вт при том же световом потоке. Потребитель сохраняет около 45 Вт, но потребление первичного источника энергии на электростанции снижается на 141 Вт из-за снижения потерь в цепи генерации.

Шесть основных положений:

* Использование ламп накаливания является очень неэффективным способом освещения
* Для питания лампы накаливания мощностью 60 Вт каждый год необходимо 200-300 кг качественного угля
* Принимая во внимание миллиарды ламп накаливания, используемых во всём мире, огромное количество энергии расходуется на освещение
* Существуют различные методы энергосбережения
* Способы энергосбережения сохраняют не только деньги потребителей, но так же снижает риски отключений. В обычном случае, сбережение 1 Дж энергии у конечного пользователя приведёт к экономии 3 Дж первичного источника энергии.
* Прогрессивный рост энергосбережения при экономии энергии у конечных потребителей действует для всех устройств, например, при снижении температуры термостата или отключении устройств в режиме ожидания.

Смотрите так же[инженерную гармонию](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/harmony.md).
