В последнее время очень много разговоров об отключениях электроэнергии на юге страны. Говорят о многих факторах, которые к этому привели, среди которых – аномальная жара. Несмотря на то, что основная причина – дефицит генерации, из-за которого выбывшую из-за сбоя Ростовскую АЭС не удалось заменить, я решил, что это отличный повод рассказать о том, как климат влияет на мощность и КПД станций. [1-5]

Электростанции так или иначе взаимодействуют со внешней средой и сильно зависят от погоды, главным образом от температуры и давления, но также и от влажности.

Основные рабочие лошадки энергетики – это газовые и паровые турбины (и их комбинация – парогазовый блок), атомные электростанции и ГЭС. Последние зависят главным образом от водности, поэтому их я опущу.

На АЭС и большинстве электростанций установлены паровые турбины. Они могут отличаться между собой. Например, на атомных реакторах ВВЭР нет возможности достаточно перегреть пар и поэтому часть цикла находится в зоне влажного пара, а теплоэлектроцентрали часть пара отдают на отопление или иные нужды. Где-то есть промежуточный перегрев, когда пар, который уже частично отработал на турбине, возвращают в котел и ещё раз догревают, где-то нет.

Примечание: про факторы, которые влияют на эффективность и способы повышения КПД я достаточно подробно писал в этой статье. 

Но в целом все эти турбины работают по одному и тому же циклу Ренкина: насосом воду прокачивают через нагревательное устройство (на АЭС – это реактор, на ТЭС – котел), там вода испаряется, пар в свою очередь, теряя температуру, расширяется и раскручивает турбину (тепловая энергия переходит в механическую), а затем конденсируется.

При этом, КПД цикла зависит главным образом от перепада температур. Чем сильнее расширится пар, тем меньше будет его температура на выходе. При этом, чтобы пар сконденсировать и вернуть в цикл, у него нужно забрать часть тепловой энергии. А тепло не переходит самопроизвольно от более холодного тела к более горячему (если не верите, попробуйте прикоснуться к горячей ложке: охладитесь не вы, а она). Поэтому низшая температура на выходе из турбины будет не меньше чем в окружающей среде.

Как следствие, при жаре КПД (и, как следствие, мощность) паровых турбин снижается. 

Газовые турбины забирают воздух из окружающей среды, сжимают его и направляют в форсунки. Там сгорает топливо, чаще всего газ. А дальше продукты сгорания направляются на турбину, где расширяются и выбрасываются в атмосферу.

КПД ГТУ больше всего зависит от степени сжатия: во сколько раз давление после компрессора больше, чем давление на выходе из турбины.

η_{t}=1-\frac{1}{λ^{\frac{ɣ-1}{ɣ}}}

λ=\frac{p_2}{p_1}

Где λ — степень повышения давления в компрессоре, p — давление до (1) и после (2) компрессора, ɣ — константа адиабаты, которая зависит от свойств газа (≈1,41)

При этом, давление на выходе из турбины не может быть меньше, чем давление окружающей среды, иначе газ будет не вытекать из дымовой трубы, а наоборот, засасываться в нее.

При сжатии в компрессоре воздух нагревается (мы затрачиваем работу на его сжатие, энергия запасается в потенциальную). Поэтому, если внешнее давление повысится, чтобы после камеры сгорания температура не превышала ту, которую способны выдержать конструкции, мы либо должны будем снизить мощность (меньше нагреть воздух в камере сгорания), либо снизить перепад давлений. Последнее возможно лишь в теории, на практике конструкции турбины такого не допускают. 

Если же увеличится не давление, а температура, то воздух можно будет меньше нагреть в камере сгорания, мощность снизится. Либо надо будет отводить часть тепла от входящего воздуха, тогда при повышении температуры воздуха мощность можно удержать, но на производство 1 киловатт-часа потребуется затратить больше топлива, полный КПД снизится. 

В случае же с парогазовым блоком, на котором дымовые газы после ГТУ испаряют воду в котле утилизаторе и пар направляется на паровую турбину, тёплая погода воздействует на обе энергетические установки. В результате, мощность снижается и там и там. 

В результате, в летний период мощность, которую могут вырабатывать электростанции, падает. А в жарких странах отвод тепла и вовсе становится большой проблемой, требующей неординарных инженерных решений.

Конечно же одной лишь погодой сложности с генерацией ОЭС Юга не объяснишь. Для таких ситуаций в регионе должна быть резервная мощность. Но она стоит денег. И нахождение баланса между стоимостью электроэнергии и мощности, и надежностью системы – нетривиальная задачу, которую ещё только предстоит решить. Но и сказать, что погода совсем никак не повлияла на ситуацию нельзя.

Надеюсь, этот небольшой ликбез был вам интересен и помог разобраться, как все-таки связаны жара и дефицит электроэнергии.

Если вам интересно, как устроена энергетика, где вырабатываются киловатт часы, которые дарят нам свет, передвижение в метро и много чего ещё, читайте раздел Энергетика на Стройке (Сборник ВК | рубрика на сайте) и подписывайтесь на мой канал.

Автор: Кирилл Овчинников 
Эксперт: Антон Федотов
Редактор: Илья Брус

Подборка новостей:

1. Интервью Главы «Совета рынка», Максима Быстрова, взято Полиной Смертиной / Комерсант, 01.08.2024, https://www.kommersant.ru/doc/6865142 
2. Татьяна Ручкина В Минэнерго РФ назвали причину отключения света на юге России / Комерсант, 16.07.2024, https://www.google.com/amp/s/www.kommersant.ru/amp/6836588 
3. Эксперт назвал причину перебоев в энергоснабжении на юге России / РИА Новости, 16.07.2024, https://ria.ru/amp/20240716/ekspert-1960126321.html 
4. София Прохорчук, Яна Штурма, Павел Вихров. Растерянный свет: почему юг России остался без электричества / Известия, 16.07.2024, https://www.google.com/amp/s/iz.ru/export/google/amp/1728541