Современные проблемы электроэнергетики

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
В.Я. Ушаков 
 
 
 
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ  
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ 
 
Допущено УМО вузов России по образованию в области  
энергетики и электротехники в качестве учебного пособия  
для студентов высших учебных заведений, обучающихся  
по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство  
Томского политехнического университета 
2014 

УДК 621.31(075.8)  
ББК  31.2я73  
У93  
 
Ушаков В.Я. 
У93   
Современные проблемы электроэнергетики: учебное пособие / 
В.Я. Ушаков; Томский политехнический университет. – Томск: 
Изд-во Томского политехнического университета, 2014. – 447 с. 

ISBN 978-5-4387-0521-5 

В пособии рассмотрены: краткая история становления и развития электроэнергетики и её современное состояние; проблемы обеспечения энергетики первичными ресурсами; производство, передача и накопление электроэнергии; экологические проблемы, обусловленные ростом производства и 
потребления энергии;  геополитические и социальные угрозы, связанные с 
энергообеспечением. Акцент сделан на проблемах и способах их преодоления на всех этапах жизненного цикла энергоресурсов – от поиска, разведки и 
добычи сырья до потребления электрической и тепловой энергии. 
Адресовано магистрантам, изучающим курс «Современные проблемы 
электроэнергетики», а также аспирантам, научным сотрудникам и специалистам, занимающимся проблемами энергетики и смежных с ней областей.  

УДК 621.31(075.8)  
ББК  31.2я73  

 

Рецензенты 

Доктор технических наук, профессор  
Новосибирского государственного технического университета  
заместитель директора – главного инженера филиала 
ОАО «Электросеть-сервис ЕНЭС» 

А.Г. Овсянников 

Заслуженный энергетик России председатель правления  
НП «Региональный центр управления энергосбережением» (г. Томск)  

М.И. Яворский 

 
 
 
 
ISBN 978-5-4387-0521-5 
© ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2014 
© Ушаков В.Я., 2014 
© Оформление. Издательство Томского 
политехнического университета, 2014 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ПРЕДИСЛОВИЕ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ ................... 8 

ВВЕДЕНИЕ. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМ  
МИРОВОЙ И РОССИЙСКОЙ ЭНЕРГЕТИКИ ..................... 11 
Литература к введению .............................................................................. 17 

 
Раздел 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННЫЙ ОБЛИК  
РОССИЙСКОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ ................................... 18 

Глава 1. ИЗ ИСТОРИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ ....................................... 18 
1.1. Становление электроэнергетики как самостоятельной отрасли 
промышленности и экономики ........................................................... 18 
1.2. Реформа электроэнергетики в новой России ....................................... 28 
Вопросы и задания ..................................................................................... 31 

Глава 2. СОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА  
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ РОССИИ ............... 32 
2.1. Целевая структура отрасли.................................................................. 32 
2.1.1. Инфраструктурные организации .............................................. 33 
2.1.2. Генерирующие компании ......................................................... 39 
2.1.3. Сбытовые компании ................................................................. 43 
2.1.4. Сервисные компании ................................................................ 43 
2.1.5. Научно-проектный комплекс ................................................... 45 
2.2. Рынки электроэнергии и мощности .................................................... 48 
2.2.1. Особенности электроэнергии как товара .................................. 48 
2.2.2. Конкурентный оптовый рынок ................................................. 50 
2.2.3. Конкурентные розничные рынки ............................................. 53 
2.3. Постреформенное состояние российской  электроэнергетики ............ 55 
Вопросы и задания ..................................................................................... 64 
Список литературы к разделу 1 ................................................................. 65 

 
Раздел 2. МИНЕРАЛЬНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ .................. 66 

Глава 3. ТРАДИЦИОННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ................ 66 
3.1. Углеводородное сырье ........................................................................ 72 
3.1.1. Поиск и разведка, запасы, прогнозы ........................................ 72 
3.1.2. Добыча нефти ........................................................................... 79 
3.1.3. Повышение эффективности работы  нефтяной отрасли ........... 83 
3.1.4. Добыча газа .............................................................................. 87 
3.2. Уголь ................................................................................................... 90 
3.3. Уран .................................................................................................... 95 
Вопросы и задания ..................................................................................... 97 

Глава 4. ТРАНСПОРТ МИНЕРАЛЬНОГО  
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СЫРЬЯ ........................................................ 98 
4.1. Транспорт нефти и нефтепродуктов .................................................. 102 
4.1.1. Западное и северо-западное направления ....................................... 103 
4.1.2. Южное и юго-западное направления .............................................. 108 
4.1.3. Восточное направление .................................................................. 111 
4.2. Транспорт газа ................................................................................... 116 
4.2.1. Западное и северо-западное направления ....................................... 118 
4.2.2. Южное и юго-западное направления .............................................. 122 
4.2.3. Восточное направление .................................................................. 127 
4.2.4. Транспортировка сжиженного и сжатого  природного газа ........... 131 
4.2.5. Проблемы газотранспортной системы  России и их решение ........ 134 
4.3. Транспорт угля .................................................................................. 136 
Заключение к главам 3 и 4 ....................................................................... 139 
Вопросы и задания ................................................................................... 140 

Глава 5. НЕТРАДИЦИОННЫЕ (ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ) 
ТОПЛИВНЫЕ РЕСУРСЫ ............................................................... 141 
5.1. Горючие и газоносные сланцы .......................................................... 141 
5.2. Битуминозные песчаники .................................................................. 144 
5.3. Газогидраты ...................................................................................... 145 
5.4. Попутный нефтяной газ .................................................................... 146 
5.5. Угольный (шахтный) метан .............................................................. 148 
Вопросы и задания ................................................................................... 151 
Список литературы к разделу 2 ............................................................... 151 
 

Раздел 3. ПРОИЗВОДСТВО, ТРАНСПОРТИРОВКА   
И АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  
ЭНЕРГИИ ........................................................................................... 153 

Глава 6. ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ И КОТЕЛЬНЫЕ  
НА ОРГАНИЧЕСКОМ ТОПЛИВЕ ................................................ 155 
6.1. Оптимизация структуры топливных генерирующих мощностей ...... 155 
6.2. Повышение эффективности и экологичности сжигания угля ........... 161 
6.2.1. Совершенствование конструкции и режимов работы котлов .. 162 
6.2.2. Предварительная подготовка топлива .................................... 165 
6.3. Когенерация ...................................................................................... 166 
6.4. Другие способы повышения эффективности  
использования топлива ..................................................................... 170 
Вопросы и задания ................................................................................... 171 

Глава 7. МАЛАЯ ЭНЕРГЕТИКА НА ОСНОВЕ  
ТРАДИЦИОННОГО ТОПЛИВА .................................................... 172 
7.1. Место малой энергетики в энергоснабжении  потребителей ............. 172 
7.2. Генерирующие установки для малой энергетики .............................. 178 
7.2.1. Газотурбинные, газопоршневые и дизельные  
двигатели  и двигатели внешнего сгорания ........................... 178 
7.2.2. Детандер-генераторные агрегаты ........................................... 188 
Заключение к главам 6 и 7 ....................................................................... 191 
Вопросы и задания ................................................................................... 192 

Глава 8. АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ........................................................ 193 
8.1. Мощные АЭС с урановым топливным циклом ................................. 195 
8.2. АЭС малой мощности ....................................................................... 206 
Заключение к главе 8 ............................................................................... 210 
Вопросы и задания ................................................................................... 211 

Глава 9. ГИДРОЭНЕРГЕТИКА ...................................................................... 212 
9.1. Состояние в мире и России ............................................................... 212 
9.2. Развитие российской гидроэнергетики .............................................. 216 
Вопросы и задания ................................................................................... 219 

Глава 10. ПЕРСПЕКТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ............................................ 220 
10.1. Энергетика на основе нетрадиционных   
возобновляемых источников энергии ............................................... 220 
10.2. Альтернативные способы производства электрической  
и тепловой энергии. .......................................................................... 227 
10.2.1. Реакторы на быстрых нейтронах.  
Замкнутый ядерный топливный цикл .................................. 227 
10.2.2. Термоядерная энергетика ..................................................... 232 
10.2.3. Водородная энергетика ........................................................ 238 
10.2.4. Магнитогидродинамический способ  производства 
электроэнергии .................................................................... 242 
Вопросы и задания ................................................................................... 244 

Глава 11. ПЕРЕДАЧА И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ  
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ .................................................... 245 
11.1. Технические и технологические проблемы  
электросетевого комплекса ............................................................... 248 
11.1.1. Потери энергии ..................................................................... 250 
11.1.2. Качество электрической энергии .......................................... 254 
11.2. Системообразующие (магистральные) сети .................................... 255 
11.3. Питающие и распределительные сети ............................................. 256 
11.4. Микросети (Microgrid) ..................................................................... 258 
11.5. Новые концепции развития  электроэнергетических систем ........... 260 

11.5.1. «Сильные сети» на базе FACTS ........................................... 262 
11.5.2. «Интеллектуальные сети» (Smart Grid) ................................ 266 
11.6. Передачи постоянного тока (ППТ) .................................................. 275 
11.6.1. Преимущества и недостатки ППТ ........................................ 276 
11.6.2. Схемы и области применения ППТ ...................................... 277 
Вопросы и задания ................................................................................... 284 

Глава 12. НАКОПЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ........................................................... 285 
12.1. Накопление электрической энергии ................................................ 288 
12.1.1. Емкостные накопители энергии ........................................... 288 
12.1.2. Электрохимические накопители энергии  (аккумуляторы)  
и электрохимические генераторы  (топливные элементы) .. 290 
12.1.3. Сверхпроводниковые индуктивные накопители  энергии .... 297 
12.2. Накопление потенциальной и кинетической энергии ..................... 299 
12.2.1. Гидроаккумулирующие электростанции .............................. 299 
12.2.2. Воздушно-компрессорные накопители энергии ................... 303 
12.2.3. Инерционные накопители энергии  (маховики и 
супермаховики) ................................................................... 304 
12.2.4. Электромеханические накопители ....................................... 307 
Вопросы и задания ................................................................................... 309 
Список литературы к разделу 3 ............................................................... 309 

 

Раздел 4. ТЕХНОГЕННЫЕ УГРОЗЫ ПРИРОДЕ И ЧЕЛОВЕЧЕСТВУ, 
ИСХОДЯЩИЕ ОТ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ТЭК,   
И СПОСОБЫ ИХ ОГРАНИЧЕНИЯ ............................................. 314 

Глава 13. УЩЕРБЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ   
И АВАРИИ НА ОБЪЕКТАХ ТЭК ................................................. 314 
13.1. Воздействие на климат и погоду ..................................................... 314 
13.2. Проблемы экологии и безопасности  
при добыче и транспортировке энергетического сырья .................... 322 
13.3. Проблемы экологии и безопасности   
при производстве электрической и тепловой энергии ...................... 332 
13.3.1. Топливные электростанции и котельные ........................... 334 
13.3.2. Атомная энергетика ............................................................ 340 
13.3.3. Объекты возобновляемой энергетики ................................ 343 
13.4. Проблемы экологии при транспортировке   
электрической и тепловой энергии ................................................... 345 
Вопросы и задания ................................................................................... 351

Глава 14. УМЕНЬШЕНИЕ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ 
ОБЪЕКТОВ ТЭК  НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ................... 352 
14.1. Технические и технологические меры повышения   
экологической чистоты и безопасности  
эксплуатации энергетических объектов ............................................ 353 
14.1.1. Топливные электростанции и котельные ........................... 353 
14.1.2. АЭС .................................................................................... 356 
14.1.3. Меры по сокращению негативного   
экологического влияния ЛЭП ........................................................ 360 
14.2. Нормативно-правовое регулирование в области   
защиты окружающей среды .............................................................. 364 
14.3. Энергоресурсосбережение как способ защиты   
окружающей среды ........................................................................... 368 
14.4. Международное сотрудничество в сфере   
экологической безопасности ............................................................. 379 
Вопросы и задания ................................................................................... 390 
Список литературы к разделу 4 ............................................................... 390 

 

Раздел 5. ГЕОПОЛИТИЧЕСКИЕ И СОЦИАЛЬНЫЕ УГРОЗЫ,  
СВЯЗАННЫЕ С ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕМ ............................. 392 

Глава 15. МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ  РЫНОК: 
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ГЕОПОЛИТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ... 393 
15.1. Общая характеристика мирового  энергетического рынка .............. 393 
15.2. Направления и мощность потоков на рынке  углеводородов .......... 396 
15.3. Мировой рынок угля ....................................................................... 408 
15.4. Мировой рынок ядерного топлива и услуг  по развитию атомной 
энергетики ........................................................................................ 410 
15.5. Мировой рынок электроэнергии, энерготехнологий  
и оборудования ................................................................................. 414 
15.6. Геополитические аспекты мирового  энергетического рынка ......... 421 
Вопросы и задания ................................................................................... 432 

Глава 16. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ НАГРУЗКА НА ОБЩЕСТВО   
В СВЯЗИ С ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕМ ................................... 433 

16.1. Социально-экономические последствия роста цены   
энергоресурсов ..................................................................................... 433 
16.2. Рыночные и государственные механизмы  
сдерживания роста стоимости энергоносителей ............................... 438 
Вопросы и задания ................................................................................... 444 
Список литературы к разделу 5 ............................................................... 444 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................. 445 

Известное известно немногим 
Аристотель 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ 

Весь ХХ в. характеризовался быстрым ростом потребления первичных энергоресурсов и электрической энергии – суммарное мировое 
потребление энергии увеличилось в 15 раз, а душевое – в 4,4 раза. (Различие обусловлено увеличением численности населения от 1,6 до 
6,0 млрд человек). Первое десятилетие нового столетия не внесло радикальных изменений в «энергетическую картину» мира, в сформировавшиеся тенденции. Продолжает возрастать потребление энергии, несмотря на периодически случающиеся экономические кризисы и вызванные ими кратковременные снижения энергопотребления. К середине XXI в. прогнозируется удвоение потребления энергетических ресурсов и утроение потребления электрической энергии. Вместе с этим обостряются проблемы, связанные с надежным обеспечением человечества 
энергией на приемлемых условиях. 
Сформировалась «триада энергетических проблем», в наибольшей 
мере влияющих на все стороны жизни человека и затрагивающих сами 
основы устойчивого развития цивилизации. Эту триаду составляют: 
 
дефицит энергоресурсов и электроэнергии приемлемой стоимости 
(журналисты обозначили эту проблему как «энергетический голод»); 
 
угроза благополучию окружающей среды вследствие техногенного воздействия объектов энергетики (угроза «экологического инфаркта»); 
 
геополитические и социальные угрозы. 
Решать эти проблемы предстоит прежде всего тем, кто сегодня заполняет вузовские аудитории. Для того чтобы добиться успехов в этом 
чрезвычайно трудном деле, необходимо отчётливое понимание проблем 
в их взаимосвязи и связи со всеми реалиями современного мира. Эти аргументы сыграли решающую роль при решении вопроса о включении в 
учебные планы магистрантов электроэнергетического направления курса «Современные проблемы электроэнергетики», при формировании его 
рабочей программы, формулировании цели курса, а также выборе 
структуры и содержания базового для него учебного пособия. 

Основная цель курса – способствовать формированию у студентов 
широкого кругозора, системы компетенций в области энергетики и в 
смежных с ней областях, пониманию на примере энергетики логики научного прогресса, его позитивных и негативных последствий для общества, для каждого жителя планеты Земля.  
В результате изучения курса студенты должны:  
знать: 
 
современное состояние и сложившиеся на сегодня тенденции и 
направления развития российской и мировой энергетики; 
 
основные проблемы обеспечения энергетической, экологической 
и геополитической безопасности, обусловленные быстрым ростом 
энергопотребления; 
 
подходы и способы решения обозначенных выше проблем; 
 
реальное положение России на мировых рынках энергоресурсов, 
электрической энергии и энергетических услуг (современное состояние и перспективы);  
уметь: 
 
оценивать масштабы и приоритеты проблем и угроз; 
 
при профессиональной деятельности выбирать оптимальные решения, которые не усугубляли бы эти проблемы, а, напротив, способствовали их решению на всех стадиях жизненного цикла энергоресурса – от добычи и преобразования в электрическую и тепловую энергию до потребления и реализации на внутреннем и мировом рынках; 
 
ориентироваться в потоке информации и отличать реальные проблемы и вызовы от порождённых некомпетентностью или корыстью (энергетика на сегодня сильно политизирована и криминализирована). 
Автор надеется, что издание учебного пособия облегчит ориентацию студентов в сложных проблемах энергетики и в обусловленных 
ими глобальных проблемах современности. Учитывалось, что в современной России выпускники большинства вузов не имеют гарантированного места работы, и далеко не каждому выпускнику удаётся во время 
учёбы определиться с будущим местом и характером работы. В этих условиях особое значение приобретает широкая научная и техническая 
эрудиция – хорошие знания не только в области выбранной специализации, но и в смежных с ней областях. В рабочей программе и, соответственно, в учебном пособии большое место отведено ресурсному сектору 
Топливно-энергетического комплекса России (ТЭК). Сделано это с учётом трёх обстоятельств: 1) производство, транспортировка и потребление электрической и тепловой энергии – сфера интересов и ответствен

ности собственно электроэнергетики – являются звеньями неразрывного 
жизненного цикла энергоресурсов, начинающегося с поиска, разведки и 
добычи первичных энергоресурсов, 2) в рамках концепции «интеллектуализации» всего энергетического хозяйства, а не только электрических сетей (Smart Grid), газо-, тепло- и электроснабжение рассматриваются как единая задача энергообеспечения потребителей, 3) ресурсный 
сектор ТЭК сам является одним из крупнейших потребителей электроэнергии и работодателем для выпускников вузов электроэнергетического профиля; знания в области первичных энергоресурсов ускорят их 
адаптацию к профессиональным требованиям.  
Учебное пособие состоит из пяти разделов, в которых последовательно рассматриваются: 1) краткая история становления и развития 
электроэнергетики как самостоятельной отрасли науки и экономики, а 
также современное состояние энергетики; 2) обеспечение энергетики 
первичными ресурсами; 3) производство, передача и накопление электроэнергии; 4) экологические проблемы, обусловленные ростом производства и потребления энергии; 5) геополитические и социальные угрозы, связанные с энергообеспечением.  
Широкий спектр рассматриваемых проблем потребовал от автора 
тщательного выбора глубины погружения читателя в каждую из них. 
Были приняты во внимание острота, масштабы и место данной проблемы в ряду других и её прогнозируемая эволюция, а также возможность 
(или отсутствие таковой) у студентов познакомиться с ней при изучении 
предшествующих и последующих учебных дисциплин.  
Заключающие каждую главу контрольные вопросы и задания помогут сконцентрировать внимание на ключевых проблемах, закрепить 
прочитанный и услышанный на лекции материал.  
В списки литературы (по разделам) включены только те публикации, доступ к которым, по мнению автора, не вызовет у читателей затруднений, а содержащихся в них материалов вполне достаточно для 
углубленного изучения проблем, рассматриваемых в данной части пособия. 
Автор благодарит своих коллег по Региональному центру ресурсосбережения Н.Н. Харлова, М.В. Волкова, Е.В. Богданову, В.С. Боровикова, Т.Б. Акимжанова, а также проректора-директора Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета Ю.С. Боровикова за благоприятные условия, 
созданные автору при работе над книгой. 
С благодарностью будут приняты замечания и предложения, которые читатели могут направлять по электронному адресу: vyush@tpu.ru.