Потенциальные источники энергии в XXI веке

И. И. Мазур

Глобальный характер проблем энергетической безопасности диктует необходимость создания всемирной системы управления энергоресурсным балансом в интересах всего человечества.

Именно этим проблемам посвящена статья, позволяющая представить современную панораму и контуры будущего развития мировой энергетики, а также понять задачи, стоящие перед мировым сообществом.

Мировое сообщество, вступив в XXI век, все больше внимания уделяет решению глобальных проблем энергетической безопасности, которые предопределяют не только темпы социально­экономического развития, но и выживание человечества в будущем.

Хотя современная цивилизация – результат функционирования и взаимодействия многих сфер жизни общества (промышленное и сельскохозяйственное производство, наука, информационные технологии, образование и др.), именно энергетика является базовым и в то же время самым уязвимым его звеном. Последствия неожиданного «исчезновения» энергетики проявятся мгновенно, и масштабы потерь будут катастрофическими.

После отключения освещения, связи, отопления и водоснабжения прекратится нормальная жизнь в городах. Даже кажущийся автономным и независимым автомобильный транспорт быстро встанет, так как бензонасосы на заправочных станциях работают от электродвигателей. Нефть в XX в. стала «кровью» мировой индустрии и сбои в ее поставках неоднократно приводили к национальным и мировым экономическим кризисам.

За последние 40 лет потребление природных топливных ресурсов (нефти, газа и угля) увеличилось в 2,5 раза, и они составляют почти 90 % мирового энергобаланса. Появились различные прогнозы развития мировой энергетики после значительного истощения природных ресурсов.

В связи с ограниченностью природных ресурсов Земли и необходимостью обеспечения энергетической безопасности мирового сообщества на первый план выдвигается задача максимального использования возобновляемых источников энергии. В последние годы достигнут значительный научно-технический прогресс в использовании нетрадиционных источников энергии для выработки тепла и электричества.

Энергобезопасность и мировое энергетическое пространство

Энергетический кризис может грозить не только отдельно взятой стране или континенту, но и всей цивилизации в целом. Поэтому проблемы глобальной энергетической безопасности приобретают все большую актуальность и широко обсуждаются на международных саммитах самого высокого уровня.

По мнению экспертов Международного энергетического агентства (МЭА), энергетическая безопасность – это комплексная концепция, целью которой является защита потребителей от перебоев в поставках, вызванных чрезвычайными обстоятельствами, терроризмом или недостаточным инвестированием в инфраструктуры энергетических рынков. Наибольшее внимание в последнее время уделяется таким ключевым вопросам, как международное сотрудничество, оптимальная организация рынков и унификация условий доступа потребителей к мировым энергетическим ресурсам.

Согласно среднему прогнозному сценарию организации ООН, численность населения мира вырастет с 6,2 млрд человек (на начало XXI в.) до 8 млрд к 2030 г. и до 10 млрд человек к 2050 г., при этом 80 % населения будет проживать в развивающихся странах. Численность населения Земли существенно влияет на потребление энергии, но в большей степени энергобаланс зависит от темпов индустриального развития. Например, в XX в. население мира выросло в 3,6 раза, в то время как мировой энергобаланс увеличился более чем в 10 раз. Гигантские потребности в энергии были обусловлены интенсивным развитием промышленности преимущественно в странах Европы, в США и России.

Если бы другие страны мира развивались в последние десятилетия по аналогичному сценарию, то объем добычи нефти, газа и угля во много раз превосходил современный уровень. Для стран Юго-Восточной Азии в среднесрочной перспективе прогнозируются чрезвычайно высокие темпы роста экономики – до 4 % в год. Лидером в настоящее время является Китай с годовым приростом в 9 %. Обеспечить энергией такой рост экономики было бы невозможно по технологиям XX в. Именно поэтому инновационные технологии в энергетике приобретают определяющее значение в мире. В большинстве развивающихся стран сложившийся уклад жизни пока не требует таких же затрат энергии на душу населения, как в Европе или США, но к середине XXI в. в результате индустриализации экономики эти страны будут потреблять половину мирового энергобаланса.

В начале XXI в., как и в XX в., в основном реализуется простейшая схема обеспечения мирового энергобаланса путем увеличения добычи нефти, газа и угля. Проблемы истощения природных ресурсов и ухудшения экологической обстановки широко обсуждаются мировой общественностью и международными организациями энергетического и экологического профиля. Разрабатываются рекомендации по уменьшению потребления углеводородного сырья как по экологическим причинам, так и из-за исчерпания запасов. Активно пропагандируются возможности использования энергии ядерных реакций, ветра, Солнца, тепла Земли и других источников энергии.

Экологическая компонента становится жестким ограничителем объемов сжигания органического топлива. Поэтому наряду с эффективным энергосбережением требуется широкомасштабное получение энергии из новых источников, значительное увеличение КПД и улучшение экологических характеристик действующих и вновь сооружаемых энергетических установок, оборудования и др.

Глобальный спрос на энергию увеличивается стремительно (около 3 % в год). При сохранении такого темпа к середине XXI в. мировой энергобаланс может возрасти в 2,5 раза, к концу века – в 4 раза. Увеличение потребностей в энергии обусловлено ростом мирового населения и улучшением качества жизни, развитием мировой промышленности, индустриализацией развивающихся стран. Многократное увеличение объема мирового энергобаланса неизбежно ведет к значительному истощению природных ресурсов. Для уменьшения этих негативных последствий огромное значение имеет энергосбережение, которое позволяет производить продукцию и полезную работу с гораздо меньшим потреблением энергии, чем в прошлом веке. В XX в. эффективно использовалось около 20 % первичной энергии, в то время как новейшие технологии позволяют повысить коэффициент действия энергетических установок в 1,5–2 раза. По экспертным оценкам, реализация программ энергосбережения позволит сократить потребление энергии на 30–40 %, что будет способствовать безопасному и устойчивому развитию мировой энергетики.

Потенциальные источники энергии в XXI веке

Анализ потенциала природных ресурсов Земли свидетельствует о том, что человечество обеспечено энергией на длительную перспективу. Нефть и газ обладают достаточно мощным ресурсом, однако этот «золотой фонд» планеты необходимо не только рационально использовать в XXI в., но и сохранить для будущих поколений.

Нефть. Мировая добыча нефти и газа будет непрерывно нарастать, хотя и с замедлением темпа роста. В отличие от прошлого столетия почти половину объема жидких и газообразных углеводородов прогнозируется получить из нетрадиционных типов природного сырья. В настоящее время из нетрадиционных источников (битумов, высоковязкой нефти, горючих сланцев) производится только 5 % синтетической нефти и менее 1 % газа (метан угольных пластов). Для широкомасштабного освоения нетрадиционных источников энергии потребуется как усовершен-ствование существующих технологий, так и создание способов разработки скоплений газогидратов и месторождений с низкопроницаемыми коллекторами. Кроме того, предстоит осваивать месторождения, залегающие на больших глубинах на суше и на море, что также приведет к многократному росту стоимости добычи.

В ближайшие десятилетия закончится эпоха «дешевых» углеводородов. Из месторождений в среднем по миру извлекается лишь 30–35 % запасов нефти, но при применении новейших технологий (компьютерные системы управления разработкой, многоствольное и горизонтальное бурение, закачка активных химических реагентов, перегретого пара и т. д.) коэффициент извлечения увеличивается в 1,5–2 раза.

В ноябре 2005 г. МЭА опубликовало доклад о состоянии мировой нефтяной отрасли и перспективах ее развития. Главный вывод этого доклада заключается в том, что, если не будут увеличены инвестиции в развитие мировой добычи и переработки, то в ближайшей перспективе спрос на нефть превысит предложение и цена начнет стремительно расти. В руководстве большинства стран Ближнего Востока активно обсуждается вопрос о привлечении крупных иностранных инвестиций и транснациональных корпораций в нефтегазовый сектор. Постоянное увеличение цен на нефть снизит темпы развития экономик крупных стран-потребителей нефти, особенно лидирующих по росту потребления энергии, прежде всего Китая и Индии.

Суммарных выявленных и прогнозных запасов традиционной (около 500 млрд т) и синтетической нефти (более 700 млрд т) при годовой добыче 4–5,5 млрд т хватит на длительный срок. Но обеспечение растущих потребностей человечества в жидких углеводородах (с сохранением значительной части месторождений для будущих поколений) возможно только при широкомасштабном производстве по передовым технологиям синтетической нефти из битумов, сланцев и угля. По прогнозам, к концу XXI в. доля нефти, добываемой из традиционных и нетрадиционных месторождений, в мировом топливно-энергетическом балансе снизится по сравнению с современным уровнем в 2 раза (от 39 % до 17 %).

Газ. Суммарных выявленных и прогнозных запасов газа традиционных
(520 трлн м³), а также нетрадиционных месторождений – метана угольных пластов, залежей в битуминозных песках, сланцах и низко проницаемых коллекторах, незначительной части ресурсов газогидратов – (суммарная минимальная оценка 500–550 трлн м³) хватит более чем на 200 лет при годовой добыче 3–6,5 трлн м³. Решение проблемы разработки залежей газогидратов в несколько раз увеличит запасы метана, что обеспечит мировое сообщество голубым топливом на несколько столетий. Но для промышленной разработки газогидратов потребуется создание уникальных технологий.

Производство жидких углеводородов непосредственно на месторождениях позволяет полностью утилизировать попутные нефтяные газы, успешно разрабатывать месторождения природного газа на море и в удаленных регионах. Расширяются межгосударственные и межконтинентальные газопроводные сети, прогнозируется многократное увеличение производства и мирового рынка сжиженного природного газа. Cпрос на газ увеличивается так быстро, что уже к середине века значение газа будет так же велико, как и нефти.

Уголь. Уголь продолжит играть важную роль в мировой экономике, а его доля в мировом энергетическом балансе сохранится на уровне около 22 %. Мировые доказанные запасы угля по своему энергетическому эквиваленту превышают суммарные запасы нефти и газа и обеспечивают современный уровень добычи
(4,8 млрд т) в течение более 300 лет. В дальнейшем постепенно в промышленные категории будут переводиться огромные потенциальные ресурсы (по оценкам, более 4800 млрд т), которые при уровне добычи 10–14 млрд т обеспечат угольную отрасль сырьем на 400–500 лет. Научно­технический прогресс приведет к широкому внедрению автоматизированных систем добычи угля с использованием новых механизмов и робототехники. Применение принципиально новых способов сжигания угля многократно сокращает выбросы в атмосферу вредных веществ и увеличивает коэффициент действия энергетических установок. Новыми направлениями в использовании угля являются обогащение и очистка сырья, водоугольные смеси, углехимическое производство синтетического жидкого топлива, аммиака, метанола, удобрений. По прогнозам, уголь останется одним из лидеров топливно-энергетического комплекса и его роль в мировом энергобалансе составит 20–22 %. Громадные мировые запасы угля позволяют многократно увеличить добычу, что в значительной мере будет определяться темпами внедрения новых экологически чистых технологий сжигания угля.

Нефть, газ и уголь до конца XXI в. по-прежнему останутся базовыми элементами энергетики, их доля будет составлять около половины мирового энергобаланса. Рациональное использование невозобновляемых ресурсов – важнейшая задача мирового сообщества. В настоящее время нефть, газ и уголь используются преимущественно как топливо и только 4–5 % их объема поставляется в химическую промышленность. В перспективе потребуется многократное увеличение производства продукции нетопливного назначения (синтетические материалы, удобрения и т. д.). Нефть и газ сохранят свои ведущие позиции не только как источники энергии, но и как важнейшее сырье для получения специальных материалов, необходимых для развития современной цивилизации. По прогнозам, к середине XXI в. в химической промышленности будет использоваться до 10 % добываемых углеводородов, а к концу века – до 30 %. Эти объемы следует исключать из мирового топливно-энергетического комплекса (соответственно увеличится нагрузка на другие энергетические отрасли).

Атомная энергетика. На атомных станциях (АЭС) вырабатывается около
16 % мировой электроэнергии, а для многих развитых стран их доля превышает 60–70 %. В настоящее время АЭС построены в 32 странах, причем около 70 % мирового объема производства электроэнергии приходится на 5 из них (США, Франция, Япония, Германия и Россия). Формируется мировая ядерная программа, обеспечивающая единые нормы безопасности и предусматривающая контролируемый доступ развивающихся стран к ядерным технологиям в мирных целях. Расширяется международное сотрудничество стран-лидеров в мировой энергетике. В XXI в. изменится структура атомной энергетики. Получат развитие реакторы на быстрых нейтронах, а в будущем и термоядерный синтез, внедрение которых позволит не только многократно увеличить мощности ядерной отрасли, но и сделать ее максимально безопасной. Кроме того, применение реакторов-бридеров в 60 раз увеличивает эффективность использования урановой руды, что обеспечит ядерную энергетику ресурсами не менее чем на тысячу лет.

Современные технологии обеспечивают надежное захоронение радиоактивных отходов, а переход к замкнутому ядерному циклу позволит производить их переработку и повторное использование в реакторах нового поколения. В результате широкомасштабных международных мероприятий по безопасности АЭС и захоронению отходов доверие общественности к атомной энергетике возросло.
В большинстве стран планируется многократный рост атомной отрасли.

Развитие мировой атомной отрасли позволит решить энергетические проблемы во многих странах. В последние годы в мире введены в строй более 30 АЭС (22 в Азии) и строятся 27 АЭС (18 в Азии). При отсутствии в той или иной стране атомных технологий могут быть использованы модульные конструкции АЭС развитых стран с установкой их на время работы (20–25 лет) в нужном месте. Такие реакторы исключают возможность использования урана для создания ядерного оружия, а перезагрузка топлива проходит под контролем МАГАТЭ.

К концу XXI в. объем производства в ядерной отрасли возрастет по сравнению с современным уровнем как минимум в 10 раз. По экспертным оценкам, значительная часть энергии будет использоваться для получения водорода. Современное мировое производство и потребление водорода составляет около 50 млрд м³ в год. По прогнозам Российского научного центра «Курчатовский институт», к 2100 г. потребление водорода достигнет 800 млрд м³, а по максимальным оценкам международных организаций – 8000 млрд м³. Топливные элементы позволят использовать водород на транспорте и при производстве электроэнергии. Огромное значение имеют технологии получения высококачественного жидкого топлива из угля, битума, высоковязкой нефти путем их гидрогенизации (в присутствии водорода).

Во второй половине XXI в. возможно создание промышленных термоядерных реакторов, хотя из-за больших технических проблем они еще не станут лидерами в атомной отрасли. Существует гипотеза использования в качестве топлива гелия­3, огромные запасы которого обнаружены на Луне. Потребуется решить проблемы его извлечения из лунной породы и доставки на Землю. Использование гелия-3 на Земле предполагает создание системы принципиально новых термоядерных реакторов, разработка которых представляет собой сложнейшую техническую задачу.

123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: