Урок 22 · Энергия: происхождение и использование Не начат

Сравнение электростанций

МакроуровеньСубмикроуровень

Главная идея. У каждой технологии генерации свой профиль выбросов, доступности и воздействия, и ни у одной воздействие не равно нулю.

Открыть презентацию урока

Что нужно принести

Короткое напоминание: углерод циркулирует по быстрому контуру (живые организмы, атмосфера) и медленному (горные породы, ископаемое топливо) (урок 4). Почти всё электричество получают в одной цепочке: что-то вращает турбину, турбина вращает генератор, и на каждом шаге часть энергии рассеивается в виде теплоты (урок 21).

Объяснение

Читать объяснение

Что меняется, а что нет

Источник: EIA, How electricity is generated.
Часть цепочки (урок 21)Меняется в зависимости от технологии?Примеры
Что поставляет энергиюДа: именно этим различаются электростанцииУголь, газ, уран, падающая вода, ветер, Солнце, биомасса
Что вращает турбинуИногдаПар (уголь, АЭС, солнечная тепловая, биомасса), вода (ГЭС), ветер (ВЭС)
ГенераторНет: всегда вращение, которое создаёт электричествоВсе, кроме солнечной фотоэлектрической
Солнечная фотоэлектрическаяЭто исключениеПанель превращает свет в электричество без турбины и генератора

Сравнительная таблица

Два слова перед чтением. Выбросы жизненного цикла складывают всё, что выбрасывается ради получения этого электричества: строительство станции, добыча топлива и её работа. Доступность измеряется коэффициентом использования установленной мощности: какой процент от того, что станция могла бы выработать, работая на полную мощность весь год, она вырабатывает в действительности. Это не то же самое, что установленная мощность, которая показывает, сколько станция могла бы выработать максимум в данный момент.

Выбросы: IPCC (2014), AR5 WGIII, приложение III, таблица A.III.2 (гCO₂-экв/кВт·ч; жизненный цикл: медиана и диапазон мин.–макс.). Доступность: EIA, Electric Power Monthly, таблицы 6.07.A и 6.07.B (США, 2025, предварительные данные). Воздействия: EIA, Hydropower / Wind energy / Biomass and the environment; DOE, Advantages and Challenges of Nuclear Energy.
ТехнологияЧто вращает турбинуВыбрасывает CO₂ при работе? (прямые)Жизненный циклИз какого резервуара углерода?Доступность (КИУМ)Главное воздействиеОтходы
УгольПарДа: 760820 (740–910)Ископаемый, медленный контур48,7 %CO₂ из ископаемого углерода—
Природный газ (парогазовый цикл)Продукты сгорания и парДа: 370490 (410–650)Ископаемый, медленный контур58,4 %CO₂ из ископаемого углерода—
ГЭСПадающая водаНет: 024 (1–2200)Не использует углерод как источник35,3 %Водохранилища затопляют природные или сельскохозяйственные земли; препятствует миграции рыб—
Наземная ВЭСВетерНет: 011 (7–56)Не использует углерод как источник23,6 %Птицы и летучие мыши; шумЛопасти, которые сегодня не перерабатываются
Солнечная фотоэлектрическаяБез турбиныНет: 048 (18–180)Не использует углерод как источник24,4 %——
Солнечная тепловаяПарНет: 027 (8,8–63)Не использует углерод как источник———
АЭС (деление ядер)ПарНет: 012 (3,7–110)Не использует углерод как источник91,0 %Радиоактивное отработавшее топливоХранящееся отработавшее топливо
Специально выращенная биомассаПарПрямого значения в IPCC нет230 (130–420)Быстрый контур34,2 % (древесина)Дым; вырубка лесов при чрезмерной заготовке—

Посмотри на столбец жизненного цикла: ни у одной технологии нет нуля. Даже у тех, что не выбрасывают при работе, есть выбросы, связанные со строительством и получением материалов.

Биомасса: углерод быстрого контура

Сжигание биомассы (дров, растительных остатков) выделяет $\mathrm{CO_2}$, как и сжигание угля. Разница в том, откуда этот углерод:

Биомасса

Быстрый контур

Когда углерод попал в этот резервуар

Недавно: растения взяли его из воздуха при фотосинтезе

При сжигании

Возвращает углерод, который уже циркулировал; заново выросшие растения могут забрать почти столько же, сколько выделилось

Уголь, нефть, газ

Медленный контур

Когда углерод попал в этот резервуар

Миллионы лет назад: он оказался погребён

При сжигании

Добавляет в атмосферу углерод, который был вне быстрого контура

Источник: EIA, Biomass and the environment; контуры: урок 4.

Это преимущество теряется, если заготавливать быстрее, чем растут растения: EIA объясняет, что это ведёт к вырубке лесов, и тогда вырастает недостаточно, чтобы забрать этот углерод. Ни в каком случае горение не создаёт углерода: атомы перегруппировываются (урок 10).

АЭС: без горения

На атомной электростанции энергия получается не от сжигания чего-либо. Она получается от деления: ядра атомов урана в топливе делятся и выделяют энергию (DOE). Эта энергия нагревает воду, пар вращает турбину, а остальная цепочка такая же, как на угольной станции.

  • Горения нет: нет углерода, который соединялся бы с кислородом, поэтому при работе $\mathrm{CO_2}$ не образуется.
  • Выбросы жизненного цикла есть: медиана 12 гCO₂-экв/кВт·ч (IPCC).
  • Отходы есть: отработавшее топливо радиоактивно, и его нужно хранить; в США оно хранится более чем в 70 местах (DOE).

Возобновляемый — не значит безвредный

«Возобновляемый» говорит о доступности ресурса: вода, ветер и Солнце восполняются. Это ничего не говорит о воздействии. Два примера:

Источники: EIA, Hydropower and the environment; EIA, Wind energy and the environment.
Возобновляемый источникЗадокументированные воздействия
ГЭСПлотина может препятствовать миграции рыб; меняет температуру, химический состав и сток реки; водохранилище может затопить природные территории, поля или археологические памятники; в воде водохранилища при разложении образуются $\mathrm{CO_2}$ и метан.
ВЭСПтицы и летучие мыши могут погибать, сталкиваясь с лопастями; станция шумит; при производстве её материалов может использоваться ископаемое топливо; нынешние лопасти не перерабатываются.

Исследование

Прежде чем трогать: как ты думаешь, у какой станции доступность выше — у ВЭС или у АЭС? А какая больше выбрасывает за весь жизненный цикл — солнечная фотоэлектрическая или АЭС?

Загружаем сравнение…

Попробуй: сравни уголь, биомассу и ветер. Какой критерий нужно выбрать, чтобы сказать, что выгоднее?

Анимация

Описание анимации

Почти все электростанции используют одну и ту же цепочку: первичный источник приводит во вращение что-то, это вращение приводит в движение генератор, а генератор отдаёт электричество.

От станции к станции, по сути, меняется только первое звено этой цепочки. На газовой ТЭС источник — природный газ, а турбину вращает пар, полученный при его сжигании. На ГЭС источник — падающая вода, и вода напрямую толкает турбину. На АЭС источник — уран-235, а теплота берётся от деления. На ветропарке источник — ветер, и ветер толкает лопасти.

Если посмотреть, какие из них выбрасывают углекислый газ при выработке, ответ такой: ТЭС — да, остальные три — нет.

Но эту фразу нужно говорить полностью, иначе она вводит в заблуждение. «Не выбрасывает CO₂» значит «не выбрасывает при выработке». Строительство плотины, изготовление и перевозка ветряка, добыча и обогащение урана — всё это связано с выбросами, даже если они не выходят из трубы во время работы станции.

Поэтому сравнивать, не уточняя, что именно сравнивается, бесполезно. Ни одна станция не хороша и не плоха сама по себе: каждую оценивают по выбросам, по занимаемой территории, по стоимости и по тому, доступна ли она, когда нужна.

Источники анимации: EIA, Electricity explained: How electricity is generated — цепочка преобразования и выбросы на этапе выработки. Схема, не в реальном масштабе.

Симуляторы для этого урока

Дополнительно: интерактивные симуляторы по теме этого урока. Можно открыть до или после объяснения.

Листы для скачивания (на испанском)

Задания

1. Резервуар объясняет разницу

Выбери две технологии из таблицы с очень разными выбросами (например, природный газ и ветер или уголь и биомассу).

  1. Запиши данные о выбросах каждой со ссылкой на источник.
  2. Объясни на уровне атомов углерода, из какого резервуара берётся энергия каждой из них и переходят ли атомы углерода в атмосферу при выработке электричества.
  3. Используй это объяснение, чтобы обосновать, почему одна выбрасывает намного больше другой. Если ты выбрал биомассу, объясни, почему выброс $\mathrm{CO_2}$ при работе не делает её равной ископаемому топливу.

2. Что выгоднее?

Ситуация: отдалённому посёлку, где много ветра, нужен источник электричества, который работает большую часть времени и мало выбрасывает. Что выгоднее — ветровая электростанция или станция на природном газе?

То, что ты пишешь, никуда не отправляется: файл остаётся на твоём устройстве.

Самопроверка

Девять вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение: прочитай его, даже если ответил правильно.

Загрузка вопросов…