Проблемы и перспективы развития электротехники в XXI веке

В начале 70-х годов прошлого века Римским клубом были выдвинуты два положения - о грядущих ресурсном и экологическом кризисах и о зависимости качества жизни от эффективности энергопотребления. Использование этих положений позволяет лучше понять проблемы и перспективы электротехники, особенно в областях, связанных с производством и потреблением электроэнергии, а также оценить социальные последствия принимаемых в этих областях решений.

В начале XXI века три четверти электроэнергии в мире вырабатывается на тепловых и атомных электростанциях (ТЭС и АЭС) путем сжигания органических или ядерных видов топлива с последующим преобразованием тепла сначала в механическую работу, а затем в электроэнергию. Прогнозируется, что подобная картина сохранится ближайшие несколько десятилетий, но соотношение мощностей ТЭС и АЭС, а также структура топлив ТЭС кардинально изменится. Это связано с тем, что разведанных запасов нефти и газа, являющихся основными видами топлива в современной электроэнергетике, хватит не более чем на 70 лет (в России до 2020 года будет отработано 4/5 запасов действующих месторождений нефти и газа), но еще раньше они могут быть выведены в стратегический или военный резерв. Во внутреннем энергопотреблении России особенно важна доля газа (более половины) и проблема ее снижения вышла на уровень проблемы обеспечения энергетической безопасности страны. Согласно принятой Энергетической стратегии Российской Федерации до 2020 года ТЭС будут постепенно переводиться на уголь, запасов которого предположительно может хватить на столетия. Одновременно планируется увеличение производства электроэнергии на АЭС, запасы ядерного топлива для которых полагаются неограниченными.

Реализация этой стратегии сопряжена с рядом трудностей. Во-первых, угольная и ядерная технологии производства электроэнергии почти в три раза по требуемым инвестициям дороже газовой технологии. Во-вторых, реализация ядерной технологии связана с проблемой утилизации отработанного ядерного топлива, а также рисками крупномасштабных аварий и террористических актов на АЭС. В-третьих, переход от экологически достаточно чистой газовой технологии к угольной технологии выработки электроэнергии чреват для России, располагающей в основном низкосортными углями, решением серьезной экологической проблемы. Суть ее заключается в том, что общественное мнение связывает наблюдаемое в наши дни глобальное потепление, носящее возможно долгопериодический характер, с выбросами в атмосферу тепловыми и атомными электростанциями различных веществ. Согласно рамочной Конвенции по климату (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) и принятому на ее основе Киотскому протоколу (1997 г.) такие выбросы должны сокращаться под угрозой применения к странам-нарушителям больших штрафных санкций. Отсюда следует, что на рынке оборудования для АЭС и ТЭС скоро окажутся только изделия, удовлетворяющие как высоким энергетическим требованиям, так и жестким экологическим ограничениям. Производство таких изделий будет по силам только фирмам, обладающим самыми высокими технологиями, в их числе российских фирм может не оказаться. Менее тревожна ситуация с АЭС, поскольку в последние пятнадцать лет в Европе и США они практически не строились, и наши разработки, например, реакторы на быстрых нейтронах (РБН) рассматриваются как перспективные. Иное дело ТЭС. Общая стагнация научно-технических разработок в России в упомянутые годы обусловила существенное отставание в параметрах (даже в КПД) отечественного оборудования для производства электроэнергии на ТЭС от зарубежных аналогов. Выход специалисты видят в обращении к конверсионным технологиям, в частности к газотурбинным установкам (ГТУ), которые уже полвека успешно используются в авиационном двигателестроении.

Надвигающиеся ресурсный и экологический кризисы обуславливают повышение внимания к использованию для генерации электроэнергии возобновляемых источников энергии (ВИЭ): гидравлической энергии (потенциальной и кинетической энергии воды), энергии морских волн, течений, приливов и отливов, солнечной, ветровой энергии, энергии биомассы (дрова, торф, бытовые отходы и т.д.), выделяемой при ее сжигании, геотермальной энергии (тепловой энергии ядра Земли, доставляемой в ее верхние слои горячими источниками воды, парогазовых смесей) и т.д. В начале XXI века доля выработки электроэнергии с помощью ВИЭ не превышает 1/20 общего объема ее генерации, но уже в первое десятилетие второй половины этого века она может достичь одной трети. Наиболее освоена генерация электроэнергии с помощью гидравлической энергии на ГЭС, малых ГЭС и микроГЭС (ГЭС - гидроэлектростанция с мощностью более 30-106 Вт, малая ГЭС - менее 30-106 Вт, микроГЭС - менее 100-103 Вт). Стоимость генерации электроэнергии на ГЭС весьма низка, но сооружение ГЭС связано с большими капитальными, временными затратами и экологическими воздействиями, а поэтому генерация электроэнергии с использованием ГЭС обычно рассматривается отдельно от ее генерации с использованием других ВИЭ. Доля же генерации электроэнергии с использованием малых и микро ГЭС в мире непрерывно возрастает (исключение - Россия, где за последние полвека их число было сокращено более чем в 15 раз и только с рубежа XX и XXI веков началось восстановление и строительство новых малых и микроГЭС).

Лидер в этой области Китай, где в первом десятилетии нового века должно быть построено более 40 000 таких электростанций. Динамично развивается производство фотоэлектрического преобразования. Наблюдается ежегодный 30%-ный прирост мощности с единицы площади фотоэлектрических преобразователей. Лидируют в этой области Япония, США, Израиль - страны с гораздо большей, чем в России, солнечной активностью, что. однако, не объясняет более чем 100-кратное наше отставание от перечисленных стран в генерации электроэнергии с использованием энергии солнца. Еще более заметно наше отставание - в 1000 раз - от страны - лидера в области генерации электроэнергии на ветроэлектрических станциях (ВЭС) - Германии. В области генерации электроэнергии на геотермальных электростанциях (ГеоЭС) наше отставание от страны-лидера - США почти 100-кратное. Следует отметить, что высокой доле ВИЭ в генерации электроэнергии в ряде стран способствует государственная поддержка. Так, в Германии реализуется программа «100 тысяч фотоэлектрических крыш» и финансовая политика способствует ее реализации. В Японии и США планируется установка 1 млн. таких крыш. Подобные программы не столько решают сиюминутные проблемы энергетики, сколько ориентированы на будущее, формируя экологическое мышление населения. А крыш промышленных предприятий, часто весьма неэстетичного вида, и в России очень много.

Производство электроэнергии с использованием ВИЭ - большой резерв и для электроснабжения России, особенно для ее удаленных (Крайний Север, Дальний Восток, Сибирь), а также энергонапряженных районов. Подобное производство выгодно отличает экологическая чистота и неисчерпаемость источников. Однако увеличение генерации электроэнергии с использованием ВИЭ сопряжено с относительно высокой стоимостью такой генерации (особенно с использованием энергии Солнца) и ее зависимостью от природных факторов (напора воды, интенсивности солнечного излучения, скорости ветра и т.д.).

11 июля 2001 года было принято Постановление Правительства РФ № 526, запустившее механизм формирования рыночных отношений в электроэнергетике. Мировая практика рыночной торговли электроэнергией еще весьма мала (порядка 10 лет) и ранее затрагивала страны и регионы с избытком мощностей ее выработки (Норвегия, Англия, Калифорния, Пенсильвания и ряд других штатов США). Опыт ведения рынка электроэнергии неоднозначен. Настораживает в нем, в частности, имевшие место нарушения стабильности электроснабжения (яркий пример - веерные отключения в Калифорнии в 2000 году), снижение инвестиций в развитие электрических сетей, повышение розничных цен на электроэнергию. В России — стране с самой большой в мире электроэнергетической системой - ЕЭС, обладающей сложной организацией управления ее режимами и развитием, одновременное проведение модернизации источников и реформирования отношений собственности будет успешным лишь при условии исключительной согласованности и ответственности всех принимаемых решений. Важной задачей, стоящей перед электротехнической наукой и направленной на обеспечение надежного электроснабжения в рассматриваемом переходном периоде, будет поиск компромиссов. Этот период характеризуется несовпадением интересов собственников объектов электроэнергетики в сфере управления режимами работы систем, планирования ремонтов, модернизации и замены электрооборудования. Поиск компромиссов должен вестись в направлении выбора наиболее адекватной новым экономическим реалиям иерархии и принципов управления электроэнергетическими системами. Неопределенность планов реорганизации электроэнергетики, в частности, касающейся будущей интеграции отдельных электроэнергетических систем, управления их развитием и интересов конкретных собственников затрудняют прогнозирование развития транспорта электроэнергии. Специалистами прорабатываются лишь вопросы эффективности усиления связей между отдельными электроэнергетическими системами (Северо-Запад, Центр, Северный Кавказ, Средняя Волга, Урал, Сибирь, Восток), реализация же этих новых связей носит лишь вероятный характер, поскольку зависит от слишком многих обстоятельств, в том числе от строительства ТЭЦ, АЭС, ГЭС в этих системах, желания собственников интегрировать последние и т.д. Более конкретный прогноз можно сделать о перспективных конструкциях воздушных линий электропередач (ВЛ).

Требование сбережения ресурсов как материальных, энергетических, так и природных (сокращение отчуждаемых под В Л площадей, снижение объемов вырубки лесов при их строительстве и т.д.) определяет изменения конструкций опор ВЛ, в том числе востребованными окажутся опоры для «компактных» ЛЭП, высокие опоры для прохождения ВЛ над лесными массивами и т.д.

Россия в настоящее время по душевому потреблению энергии вполне сопоставима с такими странами, как Германия, Франция, Япония, но по приходящемуся на человека валовому внутреннему продукту (ВВП) мы отстаем от каждой из этих стран более чем на порядок. Подобной «энергоэффективности», определяющей соответствующее качество жизни в нашей стране, мы «достигли» в основном в последние пятнадцать лет, снизив душевую выработку ВВП в разы. Даже учитывая более тяжелые климатические условия России, гораздо большую площадь занимаемой ей территории, подобное отставание в энергоэффективности от передовых стран недопустимо. Поэтому одним из направлений энергетической стратегии России выбрано повышение энергоэффективности.

Реализация этого направления энергетической стратегии позволит России достичь в конце первой четверти XXI века того уровня энергоэффективности, который был в стране в 1990 году. Применительно к электротехнике эта реализация потребует вначале проведения всестороннего аудита расхода электроэнергии, когда востребованными окажутся разработки систем мониторинга качества электроэнергии и метрологического обеспечения этого мониторинга, системы диагностики под нагрузкой самих электротехнических установок и их элементов. Далее — проведение в жизнь мероприятий по снижению потерь электроэнергии за счет управления ее качеством, потоками, режимами систем, модернизации электроустановок, повышающей их КПД и т.д. Большое значение будет иметь ориентация на высокие технологии, например, на промышленное использование в генерации, передачи, распределении и преобразовании электроэнергии явления сверхпроводимости. В настоящее время в России сверхпроводимость, в том числе «теплая», применяется в основном в опытных и исследовательских, но не в промышленных электроустановках.

По оценкам Всемирного банка объем продаж сверхпроводникового оборудования с 2000 по 2020 год возрастет в 100 раз и составит почти 250 млрд. долларов. Лидер продаж этого оборудования — США. В прошлом наша страна занимала лидирующие позиции в области разработки сверхпроводникового электротехнического оборудования и создала, в частности, в 1979 году первый в мире электрогенератор мощностью 20Т0 Вт. Важно не растерять накопленный кадровый, научный и производственный потенциал в этой области и правильно оценить ее возможности хотя бы в области снижения потерь электроэнергии (сейчас на отечественных электростанциях только треть первичной энергии переходит в электрическую энергию, на передаче электроэнергии теряется почти пятая ее часть). Большой резерв повышения энергоэффективности заложен в возможности использования новых приборов силовой электроники - одной из наиболее динамично развивающихся областей электротехники. Сейчас параметры этих приборов (рабочее напряжение до 10 000 В, рабочий ток больше 5000 А, а в импульсе до 300 000 А, время включения - десятки наносекунд, а у импульсных приборов - десятки пикосекунд, рабочие частоты — до мегагерц) таковы, что диапазон их применения может быть существенно расширен. Поскольку в настоящее время высока доля электромеханического преобразования энергии, то эти приборы должны быстрее внедряться в машиновентильные системы, в частности, электроприводы, что даст заметный эффект энергоэффективности.

Приоритетным направлением является разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем электропривода. Рост степени интеграции цифровых элементов систем управления (СУ) сделали необратимой массовую замену аналоговых СУ на системы прямого цифрового управления. В пределе встроенные СУ интегрируются вместе с силовыми преобразователями и исполнительными двигателями в одно целое — механотронный модуль движения.

В массовом электроприводе (ЭП) благодаря ожидаемому резкому удешевлению вентильных статических преобразователей значительно увеличится доля асинхронных частотно-регулируемых ЭП. Для рабочих механизмов, требующих точного движения, на смену ЭП постоянного тока придут ЭП с синхронными электродвигателями с возбуждением от постоянных магнитов и синхронными реактивными двигателями, в том числе нетрадиционных решений, например, с независимым возбуждением.

Приводом следующего века, по прогнозам большого числа специалистов, станет привод на основе вентильно-индукторного двигателя. Двигатели этого типа просты в изготовлении, технологичны, а, следовательно, дешевы.
Они имеют пассивный ферромагнитный ротор, не содержащий обмоток. Вместе с тем их высокие потребительские качества могут быть обеспечены только при применении мощной микропроцессорной СУ в сочетании с современной силовой электроникой.

Рост вычислительных возможностей встроенных СУЭП сопровождается расширением их функций: решением задач АСУ ТП, диагностированием, повышением надежности, оптимизации режимов и т.д. Перспективные СУЭП разрабатываются с ориентацией на комплексную автоматизацию технологических процессов и согласованную работу нескольких ЭП. Основные затраты при разработке СУЭП приходятся не на создание аппаратной части, а на разработку алгоритмического и программного обеспечения. Это приводит к увеличению роли специалистов в области теории прямого цифрового управления электроприводами и смежных дисциплин.

В связи с возрастающей степенью сложности электромеханических устройств огромное значение будет иметь и скорейшее внедрение информационных и компьютерных технологий в проектирование, конструирование, производство, эксплуатацию электроустановок.

В США и развитых странах Европы доля бытового электропотребления составляет около трети от общего электропотребления, в России эта доля сейчас меньше одной десятой. На структуру бытового электропотребления накладывают отпечаток климатические особенности страны — у нас массовое использование электронагревательных приборов, в южных штатах США - кондиционеров. Но все же наша структура электропотребления не современна и будет претерпевать изменения, в частности, за счет увеличения электровооруженности кухонь и жилых помещений (кухонные комбайны, посудомоечные машины, кондиционеры и т.д.), соответственно общая доля бытового электропотребления тоже будет меняться в сторону увеличения.

Ожидаемые экологический и ресурсный кризисы обусловливают увеличение в структуре электропотребления расходов энергии на электротехнологйи. Одна из проблем здесь - утилизация все возрастающей массы бытовых отходов. Перспективный путь ее решения - обращение с ними как с ВИЭ для решения и экологической, и энергетической проблемы. Энергетический потенциал здесь достаточно велик - в России начала XXI века житель делает около 1 м3 или около 250 кг бытовых отходов в год, что эквивалентно 50 кг угля. Генерация энергии (электрической и тепловой) на основе этого низкокалорийного топлива - достаточно непростая в технологическом отношении задача ввиду сложности морфологического состава отходов. Твердые бытовые отходы могут сжигаться в специальных энергетических установках, другая часть отходов вначале размещается на полигонах, где путем метанового брожения дает биогаз, состоящий на 50-80 % из метана, который потом сжигается в энергоустановках. Разработка энергокомплексов, работающих на основе этих ВИЭ, - насущная и весьма сложная задача современности. Перспективно использование в этих комплексах комбинированных энергоресурсов, например, биогаза и ветровой энергии. Другая решаемая с помощью электротехнологий проблема - обеззараживание питьевых, сточных и оборотных вод. К середине XXI века чистая вода будет рассматриваться как стратегический товар в силу ее дефицита и поэтому названная проблема станет одной из самых актуальных. Общее ухудшение экологической обстановки и снижение ресурсов требует и существенного вмешательства в биотехнологические процессы - все более востребованным будет использование электротехнологий для обеззараживания продуктов, дезинфекции зерна, управления сроками прорастания семян и т.д.

В XXI веке, несомненно, будут развиваться все традиционные области электротехники XX века, а также некоторые специальные области - микроэлектротехника, космическая электротехника (генерация электроэнергии в космосе, в том числе на основе солнечной энергии, электроактивное движение космических аппаратов, электромеханические системы, включая роботов-манипуляторов и т.д.).

В XXI веке существенно возрастет роль электротехники в области обеспечения гражданской, военной и государственной безопасности. История использования явления электромагнетизма в этих областях необычайно богата и поучительна. Она восходит ко второму тысячелетию до нашей эры, когда в древнем Китае создали специальные магнитные ворота, препятствующие прохождению людей со спрятанным под одеждой оружием. Устройствами подобного типа ныне оснащены службы безопасности аэропортов. Интересно, что именно в сфере безопасности находят первоначальное применение многие научно-технические разработки, известные впоследствии гражданским применением. Пример - трансформатор, впервые использованный Б.С. Якоби для дистанционного взрыва мин (за счет искры во вторичной цепи при прерывании тока в первичной его цепи). Другой пример - следящий электропривод, впервые созданный русским изобретателем А.П. Давыдовым для управления артиллерийским огнем и установленный на судах «Россия» и «Веста» в 1877 году. Сейчас специалисты, занимающиеся проблемами военной электротехники, изначально прорабатывают вопросы гражданского применения своих разработок (в этой связи говорят о научно-технических разработках двойного назначения). В свою очередь специфика и опыт этих разработок, обеспечивающих электроустановкам максимальную надежность, минимальность массогабаритных показателей, достижение предельно возможных параметров и т.д., равно как и принципы организации разработок, позволяющие проводить их в сжатые сроки и с использованием новых физических принципов, представляют интерес для всех электротехников.
Заметим, что появление электроустановок, реализующих новые физические принципы, способно оказать существенное влияние не только на техническое обеспечение вооруженных сил, но даже не концепции и доктрины самих военных действий. Пример - появление концепции «звездных войн» (1960-е годы) после изобретения лазеров. Различные современные концепции «дистанционных», «гуманных», «ресурсных» и т.д. войн, в которых победа должна достигаться без нанесения противнику больших людских потерь и/или разрушений, также во многом базируется на достижениях в области электромагнетизма. Поскольку системы управления, связи, жизнеобеспечения вооруженных сил и государства в целом строятся на технике, использующей явление электромагнетизма, то искажение или подавление этих явлений с помощью высокотехнологичного оружия (электромагнитных и графитовых бомб и т.д.) выводит из строя эту технику, нанося поражение противнику. Защитой от подобного оружия служит, в частности, обеспечение работоспособности этих систем в условиях сильных электромагнитных воздействий или способность быстрого восстановления их работоспособности после поражения от таких воздействий. Важной задачей становится выбор конфигурации, источников, материалов защиты и маскировки таких систем с учетом современных средств электромагнитного обнаружения и поражения. Все это задачи, решаемые современной электротехнической наукой в интересах обороны страны. Пример -задача маскировки военной техники от средств радиоэлектронного обнаружения с помощью СТЭЛС-технологий. Рассмотрим этот пример подробнее. Впервые такая маскировка была применена в самом конце второй мировой войны для рубок немецких подводных лодок, до того хорошо обнаруживаемых радарами союзной авиации. В настоящее время СТЭЛС-технологии широко применяются для маскировки судов воздушного («самолет-невидимка»), морского и подводного флотов. Суть их заключается в покрытии поверхности судов тонким слоем новых электротехнических материалов - композитов. Композиты обладают способностью изменять свои электромагнитные свойства в зависимости от параметров внешних полей, чем и объясняется эффект «невидимости» при радарном наблюдении. Работа над СТЭЛС-технологиями открыла возможность использования композитов и для гражданских целей, например, для решения проблем энергоснабжения в зданиях с оконными стеклами: покрытые тонким слоем композитов стекла приобретают способность пропускать световой поток, но теплоотдачу допускать лишь в одном направлении, поддерживая нужный тепловой режим. Для снижения заметности летательных аппаратов - ракет, самолетов -используется и другой электромагнитный способ - генерация ими искусственных плазменных образований, которые поглощают или искажают зондирующие сигналы радиолокаторов.
Упомянем ряд других разработок в рассматриваемых областях. Важными разработками двойного назначения являются накопители электромагнитной энергии, предназначенные для ее одновременного высвобождения. В военной области высвобождение осуществляется для «электромагнитного метания» - придания различным телам, в частности, несущим боевые заряды, огромных ускорений. Фундаментальное значение имеют разработки источников и систем электросбережения специальных военных объектов (командных пунктов, аэродромов, военно-космических комплексов, стартовых сооружений ракет, узлов связи и т.д.), военной техники и даже военных снаряжений бойцов (говорят о «системах электроснабжения бойцов»). Главным в подобных разработках является обеспечение максимальной надежности и живучести, часто они должны иметь минимальные массогабаритные параметры и обеспечивать высокое качество электроэнергии при импульсных воздействиях. Принципы действия источников могут быть самыми различными - электрохимическими, термоэлектрическими и т.д. и изощренными - в годы второй мировой войны, например, для электропитания раций использовалась даже мускульная сила человека («солдат-мотор»). Еще одно направление разработок - создание нелетального электромагнитного оружия служб охраны правопорядка.

Всего голосов: 399