 |
Прогноз энергетики будущего
|
|
|
|
Развитие цивилизации сопровождалось ростом потребности в энергии. Сегодня в мире на одного землянина ежесуточно производится 2 кВт энергии (в США – 10 кВт), предел роста энергопотребления оценивается в 20 кВт на человека, общее энергопотребление человечества при этом будет примерно равно солнечной энергии, фиксируемой растениями, в сумме с поступающим на поверхность планеты геотермальным теплом. Такой уровень энергопотребления биосфера может выдержать, но для этого необходимо примерно в 10 раз сократить загрязнение, которое сопровождает получение энергии сегодня.
Количественный прогноз. Указанные выше экологические пределы энергопотребления мировым сообществом, видимо, не будут достигнуты Стабилизация производства энергии, даже с учетом значительного увеличения ее потребления развивающимися странами, видимо, произойдет к 2050 г. на уровне, который превысит современный уровень не более чем в 4-5 раз, т.е. на уровне 10 кВт на одного человека (Клименко и др., 1997).
Разумеется, в случае, если бы удалось реализовать консервационистский сценарий УР, количество энергии можно было бы сократить минимум в 10 раз, а при широком развитии энергосбережения (см. 4.5) – в 30 раз, что практически сняло бы все экологические проблемы развития энергетики. Тем не менее, как уже отмечалось, реализация этого сценария маловероятна, по этой причине при построении общества УР общее потребление в мире будет возрастать, причем в первую очередь в странах третьего мира.
По прогнозам ООН, мировое потребление энергии вплоть до 2020 г. будет увеличиваться на 2% в год. При этом в основном будут увеличиваться затраты энергии на транспорт, сегодня они растут на 1,4% в год в развитых странах и на 3,6% в развивающихся. Ожидается, что к 2020 г. затраты энергии в транспортном секторе увеличатся на 75%. Подушное потребление энергии близко к стабилизации уже в 2000 г. и в дальнейшем не будет увеличиваться (Клименко, Клименко, 1998).
|
|
|
По данным Мирового энергетического совета (МИРЭС), потребление энергии в мире уже к 2020 г. возрастет на 50-75%, причем в значительной мере за счет развивающихся стран (табл. 19). В США рост производства энергии уже резко замедлился, но получило развитие энергосбережение (Вайцзеккер и др., 2000). В целом прогнозируется увеличение потребления энергии в Азии в 2,24 раза, в том числе в Китае – в 1,96 раза (по сравнению с 1990 г.).
Таблица 19
Возможный прогноз роста потребностей в энергии в мире
и ее душевого потребления
| Показатель | |||
| Потребление энергии, млрд. т условного топлива | |||
| Всего Развитые страны Развивающиеся страны | 5,1 3,2 1,9 | 13,2 8,6 4,6 | 19,5 10,0 9,5 |
| Душевое потребление, т условного топлива | |||
| Развитые страны Развивающиеся страны | 3,6 0,9 | 5,0 1,1 | 6,7 1,4 |
Прогноз структуры энергетики. Этот прогноз различается у разных экологов. По центристскому сценарию прогнозируется сохранение «полиэнергетической» структуры с равным вкладом тепловой, атомной и нетрадиционной (на основе ВИЭ) энергетики. При этом будет снижаться доля энергии, получаемой за счет нефти, и увеличиваться роль ТЭЦ на угле. Однако в угольной энергетике должна произойти научно-техническая революция с переводом ее на подземную газификацию угля, что резко снизит влияние на окружающую среду этого ныне самого экологически грязного топлива. Научные разработки в этом направлении проводятся, особенно в США. Они показывают, что повышение экологической чистоты угольной энергетики повысит стоимость получаемой энергии примерно в 3 раза. Созданы эффективные фильтры, улавливающие газообразные выбросы ТЭЦ, работающих на угле, но они также дороги и, кроме того, не решают проблемы угольной золы, которая образуется на ТЭЦ в огромном количестве, токсична и радиоактивна.
|
|
|
Предстоит повышение КПД (примерно в 2 раза, с 30 до 60%) электростанций, работающих на газе и жидких энергоносителях, в первую очередь на мазуте, который является отходом производства бензина. Возможно, получат распространение экономичные тепловые элементы, которые преобразуют тепло в электричество так же, как фотоэлементы. Для ТЭЦ на мазуте также необходимы надежные фильтры, защищающие атмосферу от загрязнения.
Общий прогноз объема и структуры потребления первичных энергоресурсов в мире на 2020г. показан в табл. 20
Таблица 20
Оценка МИРЭС объемов потребления первичных энергоресурсов
в мире по сравнению с 1990г.
| Показатель | 1990 г., млн. т у.т. | 2000 г., млн. т у.т. | Прирост, % |
| Суммарное потребление первичных энергоресурсов (всего) В том числе: твердое топливо нефть газ атомная энергия гидроэнергия традиционные ВИЭ новые ВИЭ |
Примечания к таблице:
у.т. – условное топливо, единица, которую используют для сопоставления тепловой ценности различных видов энергоносителей; 1 кг у.т. равен примерно 7000 ккал/кг (что соответствует 1кг антрацита);
к традиционным ВИЭ относят дрова и отходы лесного и сельского хозяйства;
к новым ВИЭ относят солнечную, ветровую, геотермальную энергию, океанскую энергию и энергию малых водотоков.
Из этого прогноза следует, что наиболее активно в ближайшие десятилетия будут развиваться газовая и атомная энергетика, а также гидроэнергетика и энергетика на основе новых ВИЭ. МИРЭС не планирует повышения вклада угольной энергетики, т.к. его эксперты не уверены в том, что в ближайшие десятилетия удастся разработать экономически и экологически эффективные способы получения энергии из угля.
Общая позиция МИРЭС по вопросу о будущем энергетики была сформулирована в шести постулатах:
1. Органическое топливо (нефть, газ, уголь) будут доминировать в топливном балансе в ближайшие 30 лет;
2. Умеренные темпы роста производства атомной энергии требуют немедленного решения вопроса повышения уровня безопасности АЭС и захоронения отходов;
|
|
|
3. Необходима техническая и экономическая разработка всех аспектов развития нетрадиционной энергетики на основе ВИЭ;
4. Необходимо исследовать связь роста потребления энергии с демографическими изменениями в мире;
5. Необходимы государственные энергосберегающие программы для снижения энергоемкости ВВП;
6. МИРЭС должен разработать программу «Энергетические горизонты в мире с населением 9 млрд. человек», т.е. на уровень 2100 г.
Контрольные вопросы
1. Как будет развиваться энергетика развитых и развивающихся стран в следующие 30 лет?
2. Что значит «полиэнергетика»?
3. Каковы перспективы развития угольной энергетики?
4. Каковы перспективы использования ВИЭ?
Перспективы нетрадиционной энергетики
Как отмечалось, эксперты МИРЭС возлагают большие надежды на развитие нетрадиционной энергетики на основе новых ВИЭ (солнце, ветер, тепло Земли, приливы и отливы, энергия малых водотоков и т.д.). Меры содействия развитию нетрадиционной энергетики – объект пристального внимания мирового сообщества (см. 11.3.1)
Рассмотрим перспективы различных вариантов нетрадиционной энергетики.
Гелиоэнергетика
Получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной энергии – одно из самых перспективных направлений нетрадиционной энергетики. По наиболее оптимистичным прогнозам к 2020 г. эта отрасль будет давать от 5 до 25% мирового производства энергии.
Основные технические решения. Различают два основных варианта гелиоэнергетики: физический и биологический. При физическом варианте энергия аккумулируется солнечными коллекторами, солнечными элементами на полупроводниках или концентрируется системой зеркал. Исследования по гелиоэнергетике частично финансируются Всемирным банком по программе «Солнечная инициатива».
Солнечные коллекторы широко применяются в Японии, Израиле, Турции, Греции, на Кипре, в Египте для нагревания воды и отопления. В Германии успешно осуществлен проект «2000 солнечных крыш», в США солнечные нагреватели установлены в 1,5 млн. домов (их общая мощность равна 1400 МВт). Ряд предприятий РФ изготовляют несколько типов солнечных сушилок для сельскохозяйственных продуктов, которые позволяют сократить затраты энергии на единицу сухого продукта на 40%. Выпускаются в РФ и усовершенствованные плоские солнечные коллекторы и комплексные водонагревательные установки.
|
|
|
Энергия, получаемая на солнечных электростанциях (СЭС) с использованием системы зеркал, которые нагревают масло в трубах, в 5–7 раз дешевле, чем энергия солнечных элементов, т.е. фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Для изготовления ФЭП необходим химически чистый кремний. Дороговизна его производства является основным тормозом их широкого внедрения. Тем не менее, у ФЭП большие перспективы: 1 кг кремния заменяет 75 т нефти, хотя пока ФЭП широко используются только в космических аппаратах.
В США наиболее популярны гибридные солнечно-топливные электростанции (их КПД составляет 13,9%), суммарная мощность которых равна 400 МВт. Их средний КПД выше (достигает 23%), а стоимость энергии ниже, т.к. вырабатываются одновременно энергия и тепло. Во всех этих СЭС используются стеклянные концентраторы в форме параболических цилиндров высотой до 100 м и апертурой около 6 м. Ресурс работ этих концентраторов составляет 30 лет. Если бы Россия располагала подобными системами концентрации излучения, можно было бы за счет СЭС полностью обеспечить энергией южные районы страны (Емельянов, 2001).
В рамках развития физических вариантов гелиоэнергетики идет разработка моделей солнцемобилей. Пока эти транспортные средства проходят стадии экспериментальных образцов, тем не менее, в Японии регулярно проводят их ралли, в которых участвуют и российские создатели нового транспорта. Стоимость моделей-чемпионов пока в 10–15 раз выше, чем стоимость самого престижного автомобиля. Недостатком солнцемобилей являются большие размеры солнечных элементов, а также зависимость от погоды (солнцемобиль снабжается аккумулятором на случаи, когда солнце скрыто за облаками).
Ограничения физической гелиоэнергетики. Недостатком СЭС являются лишь очень большие затраты металла на их сооружение: в пересчете на единицу производимой энергии они в 10-12 раз выше, чем при производстве энергии на ТЭС или АЭС. Затраты цемента при этом еще выше – в 50-70 раз. СЭС занимают большие площади, и потому их строительство перспективно только в пустынях. Так, к югу от Лос-Анджелеса построена СЭС мощностью 80 МВт, причем затраты на ее строительство быстро окупились, получаемая энергия на 1/3 дешевле, чем энергия, вырабатываемая на АЭС. Есть проекты сооружения СЭС в пустынях Гоби и Сахаре с использованием водорода в качестве энергоносителя.
|
|
|
Поскольку строительство СЭС экономически рентабельно в случае, если число часов солнечного сияния не ниже 2000 в год, а интенсивность поступления солнечного света составляет 600-800 Вт/м2, в условиях РФ возможно строительство СЭС лишь в некоторых районах (Астраханская, Волгоградская и Ростовская области, Ставрополье, Калмыкия, Северный Кавказ, Читинская область, Бурятия, Тува).
Использование солнечных элементов сдерживается отсутствием рентабельной технологии получения химически чистого кремния, который пока стоит столько же, сколько и уран для АЭС. Однако работы по созданию технологии получения более дешевого кремния проводятся в ряде стран мира (особенно в Германии и Норвегии). Поскольку 1 кг кремния в солнечном элементе вырабатывает за 30 лет 300 тыс. кВт-часов электроэнергии, он эквивалентен 75 т нефти, так что прорыв в технологии получения кремния способен резко повысить вклад солнечной энергии в энергетический бюджет мира. Тем не менее, количество фотоэлектрических модулей, которые производятся в мире, быстро увеличивается. Ели в 1995 г. их суммарная мощность составляла 80 МВт, то в 2000 – уже 260, а в 2010 по прогнозам должна достигнуть 1700 МВт.
Возможности биологической гелиоэнергетики. При биологическом варианте гелиоэнергетики используется солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинтеза в органическом веществе растений (обычно в древесине). Количество диоксида углерода, которое выделяется при сжигании растительной массы, равно его усвоению при росте растений (так называемые «суммарные нулевые выбросы»).
По сей день 55% древесины, которая используется человеком, – это топливо, причем, в странах третьего мира древесина сжигается в очагах для приготовления пищи и обогрева помещений. Это «установки» с самым низким КПД, который не превышает 10%. В Кении за счет этих «установок» удовлетворяется 75% энергетических потребностей, в Эфиопии и Бангладеш – 90%, в Нигерии – 80% (Дрейер, Лось, 1997).
Значительно более высоким КПД обладают ТЭС, где в результате сжигания древесины получается электроэнергия. Австрия планирует в ближайшие годы получать от сжигания древесины до 1/3 необходимой ей электроэнергии. Для этих же целей в Великобритании планируется засадить лесом около 1 млн. га земель, непригодных для сельскохозяйственного использования. Высаживаются быстрорастущие породы, такие, как тополь, срезку которого производят уже через 3 года после посадки (высота деревьев около 4 м, диаметр стволиков больше 6 см). В Бразилии из отходов сахарного тростника получают этиловый спирт, который используют в качестве топлива; в США работают электростанции, сжигающие отходы кукурузы.
Американская компания «Дженерал электрик» использует биомассу быстро растущих бурых водорослей (ежедневно с 1 га таких плантаций получается энергия, эквивалентная энергии 28 л бензина). Используется также планктонная микроскопическая водоросль спирулина, способная дать с 1 га до 24 т сухого вещества в год. В этом случае организуется замкнутая система производства энергии: зола после сжигания водорослей поступает в бассейн для многократного использования, что снижает расход элементов минерального питания.
Биологическим вариантом гелиоэнергетики является получение биогаза из органических остатков, в первую очередь навоза. Несложные установки для получения биогаза широко распространены в Китае и Индии. Уже в 80-х гг. в Индии действовало 50 тысяч таких установок.
Этот же вариант энергетики представляет получение швельгаза, который образуется при термической обработке (пиролизе) органических бытовых отходов в специальных установках, где они в анаэробных условиях нагреваются до температуры 400-700оС. (В этом случае затрачивается некоторое количество тепловой энергии из традиционных источников.)
В мире есть опыт утилизации «свалочного» газа, который образуется в результате гниения органических отходов на свалках. Для этого в толщу свалок пробуриваются скважины. В России совместно с голландской компанией «Гронтмай» испытаны две экспериментальные установки для получения «свалочного» газа. Мощность этих установок – 70-80 кВт. Опыт показал, что на средних по размеру полигонах можно получать 3500-4400 МВт в год. На крупных полигонах можно получать энергии еще больше.
Контрольные вопросы
1. Перечислите основные варианты гелиоэнергетики.
2. В каких условиях недостатки СЭС могут быть сведены к минимуму?
3. Что такое солнечные элементы? Почему задерживается широкое использование этих элементов в энергетике?
4. Каковы перспективы развития биологического варианта гелиоэнергетики?
Ветроэнергетика
Это один из наиболее развитых и перспективных вариантов нетрадиционной энергетики, при котором используется экологически чистый и неисчерпаемый источник энергии – ветер.
В настоящее время наибольшего развития ветроэнергетика достигла в Германии, Англии, Голландии, Дании, США (только в штате Калифорния работает 15 тыс. ветряков). Наиболее оправданны небольшие ветряные энергетические установки (ВЭУ) мощностью до 15 кВт, хотя сооружаются и установки мощностью 100-500 кВт. Обычно на одной площадке устанавливается большое число ВЭУ, образующих так называемую ветровую ферму. Самая большая ферма сооружена в Калифорнии и состоит из почти 1000 ВЭУ, ее общая мощность 100 МВт.
Попытки сооружения «ветряных монстров» на суше (в устье Эльбы была построена ВЭУ «Гровиан» мощностью 3 МВт, а в штате Огайо в США – мощностью 10 МВт) оказались неудачными, так как эти установки вызывают сильное шумовое загрязнение на больших территориях, примыкающих к ВЭУ. ВЭУ в Огайо проработала несколько суток и была демонтирована и продана как металлолом. Тем не менее, при выносе в море оказываются выгодными мощные ВЭУ. В целом по морским ВЭУ пока лидирует Дания. Лидерство же в разработке проектов принадлежит ФРГ, где разработан проект морской ВЭУ с диаметром ротора 100 м и мощностью 5 МВт.
Небольшие ВЭУ – идеальные источники энергии для ферм. Они могут быть подключены к центральной системе энергоснабжения, дающей ферме энергию в период безветрия и, напротив, принимающей излишки энергии от ВЭУ в особо ветреную погоду. Удобны небольшие ветряки для дачных участков. По прогнозам футурологов, в некоторых странах доля электроэнергии, получаемой на ВЭУ, в будущем может составить 10%. Однако для того, чтобы увеличить вклад ВЭУ в энергетический баланс развитого государства, необходимо примерно вдвое увеличить производство алюминия для ветряных «колес» и башен. А производство алюминия является одним из наиболее экологически грязных процессов.
Оборудование для получения энергии из нетрадиционных источников выпускают более 100 предприятий России. В 1998 г. в стране было произведено 120 ВЭУ мощностью 0,04-16 кВт для выработки электроэнергии и 10 водоподъемных ветроустановок, 500 м2 солнечных коллекторов и водонагревателей, 40 микроГЭС мощностью от 4 до 100 кВт, 40 биогазовых установок. Кроме того, по линии международного сотрудничества из США получено 30 ВЭУ мощностью по 10 кВт и 10 – по 1,5 кВт. Эти ВЭУ монтируются на севере – в Архангельской и Мурманской областях и на Чукотке.
Тем не менее, по мощности ВЭУ Россия отстала от развитых стран Запада и даже Индии на несколько порядков. Так, установленная мощность ВЭУ, подключенных к электрическим сетям в 2000 г. в некоторых странах мира составляла (в МВт): Германия – 6095, Испания – 2538, США – 2494, Дания – 2364, Индия – 1214. В России этот показатель – всего 5.
Бурный прогресс ветроэнергетики в мире отражается объемом продаж ВЭУ, который ежегодно возрастает на 30%.
Контрольные вопросы
1. Какие страны являются лидерами в использовании энергии ветра?
2. Какова оптимальная мощность ВЭУ?
3. Как представлена ветроэнергетика в РФ?
|
|
|
