 |
Проблемы и тенденции мировой энергетики
|
|
|
|
Энергетическая наука. Из понятия энергетики вытекает понятие энерге-тической науки, предмет и методы ее изучения. Под энергетической наукой по-нимается система знаний о свойствах и взаимодействиях энергетических потоков, влиянии их на человеческое общество в социальном, экономическом и научно-техническом планах, влиянии на окружающую среду.
Энергетическая наука занимается изучением закономерностей процессов
и явлений, прямо или косвенно связанных с получением необходимых для че-ловека энергетических ресурсов и созданием установок, вырабатывающих, преобразующих и потребляющих различные виды энергии.
Развиваясь в тесной связи с электро-, тепло- и гидротехническими дис-циплинами, а также многими другими научными дисциплинами, энергетиче-ская наука требует применения математики, физики и автоматики. Энергетиче-ская наука развивается в трех основных направлениях:
1) изучение закономерностей развития и оптимальных пропорций энергетики и электрификации, а также изучение природы и свойств больших развивающихся систем в энергетике. Это направление, имеющее своей целью совершенствование методов прогнозирования, планирования и эксплуатации систем энергетики, тесно связано с социальными процессами, экономикой страны;
2) совершенствование способов получения, преобразования, передачи, рас-пределения и использования энергоресурсов и энергии различных видов; по-вышение КПД всех энергоустановок и уменьшение их неблагоприятного воз-действия на природу и живые организмы;
3) создание новых методов и средств получения энергии и преобразование различных видов энергии в электрическую; разработка новых способов переда-чи электрической энергии и ее использование в стационарных и передвижных установках.
|
|
|
Будучи большой системой и взаимодействуя с подсистемами, энергетика
в теоретическом аспекте связана с рядом научных дисциплин и обычно рас-сматривается состоящей из отдельных разделов. В этих разделах выделяют об-щую энергетику, управление энергетикой, электро-, гидро- и теплоэнергетику, атомную энергетику. К энергетике в широком плане относится также топливо-снабжение, включающее в себя снабжение ископаемым топливом (углем, газом, торфом, нефтью, ядерным горючим).
Использование энергетических ресурсов. Энергия -всеобщая основаприродных явлений, базис культуры и всей деятельности человека. В то же время энергия понимается как количественная оценка различных форм движе-ния материи, которые могут превращаться одна в другую. По видам энергия подразделяется на химическую, механическую, электрическую, ядерную и т. д. Возможная для практического использования человеком энергия сосредоточена
в материальных объектах, называемых энергетическими ресурсами.
Из многообразия энергоресурсов, встречающихся в природе, выделяют основные, используемые в больших количествах для практических нужд. К ним относят органические топлива, такие как уголь, нефть, газ, а также энергию рек, морей и океанов, солнца, ветра, тепловую энергию земных недр (геотермальную) и т. д.
Энергоресурсы разделяют на возобновляемы е и невозобновляемые. К первым относят энергоресурсы, непрерывно восстанавливаемые природой (во-да, ветер и т. д. ), а ко вторым – энергоресурсы, ранее накопленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся (например, каменный уголь).
Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), называется первичной. Энергия, по-лучаемая человеком после преобразования первичной энергии на специальных установках – станциях, называется вторичной (энергия электрическая, пара, горячей воды и т. д. ).
|
|
|
В своем названии станции содержат указание на то, какой вид первичной энергии на них преобразуется. Например, тепловая электрическая станция (ТЭС) преобразует тепловую энергию (первичную) в электрическую энергию (вторичную), гидроэлектростанция (ГЭС) – энергию воды в электрическую, атомные электрические станции (АЭС) – атомную энергию в электрическую; кроме того, первичную энергию приливов преобразуют в электрическую на приливных электростанциях (ПЭС), аккумулируют энергию воды – на гидроак-кумулирующих станциях (ГАЭС) и т. д.
Получение энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей происходит в процессе энергетического производства, в котором можно вы-делить пять стадий.
1. Получение и концентрация энергетических ресурсов: добыча и обогаще-ние топлива, концентрация напора с помощью гидротехнических сооружений и т. д.
2. Передача энергетических ресурсов к установкам, преобразующим энер-гию; она осуществляется перевозками по суше и воде или перекачкой по тру-бопроводам воды, газа и т. д.
3. Преобразование первичной энергии во вторичную, имеющую наиболее удобную для распределения и потребления в данных условиях форму (обычно в электрическую энергию и тепловую).
4. Передача и распределение преобразованной энергии.
5. Потребление энергии, осуществляемое как в той форме, в которой она до-ставлена потребителю, так и в преобразованной.
Если общую энергию применяемых первичных энергоресурсов принять за 100 %, то полезно используемая энергия составит только 35–40 %; остальная часть теряется, причем большая часть в виде теплоты.
Потери энергии определяются существующими в настоящее время тех-ническими характеристиками энергетических машин.
Различные виды топлива имеют существенно разные энергоемкости, ве-личина которых приведена в таблице В. 1.
| Таблица В. 1 | ||||||||
| Вид топлива | Условное | Уголь | Дрова | Нефть | Газ | Водород | ||
| топливо | (антрацит) | (сухие) | (пропан) | |||||
| Удельная | ||||||||
| энергоемкость: | ||||||||
| 106 Дж / кг | 29, 35 | 33, 5 | 10, 5 | 41, 9 | 46, 1 | 12, 06 | ||
| ккал / кг | 10 000 | 11 000 | 28 800 | |||||
|
|
|
ПРОБЛЕМЫ И ТЕНДЕНЦИИ МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Постановка проблемы. Энергетическая безопасность, волнующая сегодня мир, являетсяважнейшей составляющей национальной безопасности любого государства. Под энергетической безопасностью видится состояние защищенности страны и ее экономики от угрозы надежному топливно-энергетическому обеспечению. Угрозы могут быть как внешними (геополитическими, конъюнктурными в глобальном масштабе, макроэкономическими), так и внутренними: из-за собственного управления экономикой и функционирования энергетического сектора национального хозяйства.
Наиболее чувствительным и тревожным становится сокращение запасов природного сырья на Земле. Нынешние международные противоречия в первую очередь характеризуются борьбой за углеводородные источники. Накал этой борьбы усиливается, развитие энергетики в XXI веке все больше попадает под влияние не только природных, экономических, но и политических факторов. Научно-техническая революция вносит значительные коррективы в баланс производства и потребления энергоресурсов.
Анализ проведенных исследований. Три энергетических революции. Ориентировочная оценкадолгосрочного роста потребления энергии, основанная на предполагаемых темпах развития мировой экономики, характеризуется следующими показателями. До 2030–2050 гг. среднегодовой прирост потребления энергии составит 2–3%, в развивающихся странах он будет значительно большим. Рост населения к 2025 г. достигнет 8, 5 млрд. человек, из них 80% будут проживать в развивающихся странах. Эти страны будут играть определенную роль в мировом потреблении энергии вследствие резкого увеличения у них производства.
|
|
|
Из всех источников энергоресурсов роль природного газа в энергоснабжении в перспективе будет возрастать, учитывая экологическую чистоту и удобство в доставке этого вида топлива. Использование газа вместо нефти – это третья энергетическая революция; первая – ознаменовалась переходом от древесины к углю; вторая – от угля к нефти. Нефть в настоящее время стала замыкающим ресурсным источником в энергобалансе мира. Уже сегодня цены на нефть начинают определяться темпами перестройки структуры мирового энергобаланса и запасами топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Причем, цены на нефть и газ продолжают расти и это процесс вполне закономерен.
Следует заметить, что удельный вес достоверных запасов по некоторым видам полезных ископаемых иногда составляет несколько процентов от геологических запасов. Среди ТЭР наиболее велики в мире запасы угля. Его хватит, по мнению ученых, на 3000–3700 лет при современной добыче до 5 млрд. тонн. Основная масса угля добывается в СНГ, США, Китае, Германии, Польше, Словакии, Англии. Но предпочтением этот вид топлива сегодня не пользуется ввиду больших издержек на его добычу, транспортировку, утилизацию отходов, из-за низкого коэффициента полезного действия, экологического загрязнения.
Вероятно, еще длительное время нефть останется основным ТЭР. По некоторым оценкам, и в 2020 г. доля нефти в мировом потреблении энергии составит не менее 10%. При современной технике и технологии извлекается из недр в среднем 35% имеющихся запасов нефти на Земле.
По данным экспертов, доказанные запасы органического топлива достаточны для удовлетворения ожидаемого увеличения спроса на них в течение ряда десятилетий. Но вопрос в том, что эти ресурсы распределены неравномерно, и как ими воспользоваться. Существуют бедные и богатые их собственники, монополисты и аутсайдеры. К примеру, в общемировых разведанных запасах на долю стран, входящих в экономическую группировку ОПЕК, приходится около 77% мировых запасов нефти и 41% – природного газа.
В целом согласно данным Мирового Энергетического Совета (МИРЭС), общемировые запасы органического топлива складываются из запасов угля (до 60%), нефти и газа (около 27%). Однако, сегодня сложилась иная ситуация в мире по удельному весу источников энергоносителей в общем мировом топливном балансе: на уголь приходится 30%, нефть – 40%, газ – 24%, ядерную энергетику – 6% в общем
объеме потребленных энергоресурсов [1]. К слову сказать, в России структура потребления отличается меньшей долей угля, на нее падает 17%, нефть – 21%, газ – 55%, гидроэнергия – 2%, ядерная энергия – 5%.
|
|
|
Энергопотребление на душу населения в мире составляет в среднем около 2 тонн условного топлива в год. Но в экономически развитых странах этот показатель в несколько раз выше. Размещение источников энергии и производство первичных энергоносителей заметно отличается от географии потребления энергии. Одни страны, обладая избытком энергоносителей, экспортируют нефть, газ или уголь. Другие зависят от импорта энергоносителей. К последним в первую очередь относятся страны западной Европы и частично Восточной, в том числе Беларусь. Значительными импортерами являются Япония, США, Китай. Для наглядности приводится нижеследующая таблица по запасам энергоресурсов.
Тенденции в использовании энергоресурсов в мире. На Международной конференции поиспользованию энергетических ресурсов в Монреале, в 1989 г. рассматривалась проблема ядерной энергетики, увеличившая число ее сторонников. Намеревались наращивать темпы строительства АЭС Китай, Япония, Франция, Индонезия, ЮАР, Италия и другие страны.
Напротив, в Канаде (провинция Онтарио) и Швейцарии объявили мораторий на строительство новых АЭС. Серьезную озабоченность вызывают АЭС в Восточной Европе, несмотря на то, что действующие в Венгрии, Чехии, Словакии атомные станции по своим показателям относятся к лучшим в мире. Одновременно решаются проблемы безотходного использования природного урана как топлива, а также переработки и уничтожения радиоактивных отходов. Известные ресурсы урана в мире составляют около 2, 4 млн. тонн. Запасы энергии атомного распада и ядерного синтеза являются физически неисчерпаемыми.
По-разному относятся во многих странах к использованию гидроэнергетических ресурсов. Крупные ГЭС планирует пока только Китай. Первоначально им запланировано было построить к началу двухтысячных годов 60 крупных ГЭС суммарной мощностью 70 ГВТ. В Беларуси с учетом существующих ГЭС и четырех строящихся на гидроэлектростанциях будет вырабатываться около 500 млн. кВт. ч в год [3].
Потенциальным источником производства энергии видится использование солнечной энергии (фотоэлектрическое преобразование) и температурного градиента мирового океана, энергии ветра, геотермальной энергии, переработки древесины в жидкое топливо, энергии горных пород и магмы, приливной энергии океанов, переработки городских отходов, применение биогаза, полученного при переработке отходов промышленности и сельского хозяйства.
В разработке этих технологий лидируют развитые страны, в первую очередь США, Япония, Великобритания, Канада, Дания. Созданы расчеты и проекты, сооружения станций небольших мощностей на водоочистительных объектах, ирригационных каналах при использовании новых конструкций ГЭС с низким напором воды.
Эксперты показывают, что тенденция в использовании энергоресурсов в мире характеризуется снижением до 2050 г. доли первичного топлива и повышением доли возобновляемых источников энергии. Предполагается, что потребление энергии к 2030 г. увеличится на 71%, доля углеводородного топлива – 86%, доля нефти снизится с 39 до 33%. При этом ее потребление увеличится с 80 млн. до 118 млн. баррелей в день. Доля природного газа вырастет с 24 до 26%, одновременно его потребление вырастет с 2, 7 до 5 трлн. м3, доля угля вырастет с 24 до 27%.
Остальные 14% мирового потребления энергии в будущем разделят атомная энергия (ее доля снизится с 6 до 5%) и возобновляемые источники энергии (их доля увеличится с 8 до 9%). Производство жидкого топлива из угля и природного газа, а также биотоплива увеличится с 1, 8 до 11, 5 млн. баррелей в день, что составит 10% от объема мирового потребления нефти [4].
В чем заключается «пик Хубберта»? Известный южноамериканский ученый Кинг Хуббертпредсказал, что добыча любого сырья из кладовых природы подчиняется закономерности, отображаемой колоколообразной кривой. Впоследствии ученые определили так называемый «пик Хубберта», согласно которому, у каждого ресурса есть точка максимальной добычи. У большинства природных ресурсов, крайне необходимых человечеству, пик приходится на первую половину XXI века. Это касается и каменного угля, и доступной пресной воды, и площади обрабатываемых земель, и добычи рыбы в океане.
Стараясь отсрочить неминуемое, общество пытается заменить одни ресурсами другими. Поначалу эти технологии работают удовлетворительно. Так, с помощью электричества опресняется вода или добывается с более глубоких скважин. Истощение почвы покрывается все большим количеством удобрений, нехватку нефти – производством спирта из кукурузы, рапса, нехватку продовольствия – производством маргарина из нефти и даже каменного угля. Но для всего этого нужно возрастающее количество электроэнергии. И последствия такой замены состоят в том, что хотя «пик Хубберта» одних ресурсов оттягивается, для других ресурсов «пик Хубберта» приближается. В результате чего пик колоколообразной кривой для всех ресурсов произойдет примерно в одно время.
Таким образом, по эмпирической закономерности Хубберта для нефтяных месторождений, максимум добычи нефти наступает через 20–40 лет в результате наибольшего открытия новых объемов залежей нефти. Исходя из этих закономерностей, можно определить несколько этапов нефтяной эры:
1963 г. – максимум открытых новых извлекаемых запасов; 1983 г. – впервые потребление нефти превысило открытие новых запасов;
2003 г. – впервые (после 1920 г. ) не было открыто ни одного крупного месторождения (более 60 млн. т);
2006–2010 гг. – начало падения мировой добычи нефти [5].
Внефтяных технологиях научно-технический прогресс отодвигает дату значительного сокращения добычи нефти на несколько лет, но, к сожалению, не создает новых месторождений.
Максимальный объем добычи нефти, газа и конденсата попадает на 2012–2015 гг. В дальнейшем добыча этих ресурсов уменьшится. С появлением тенденции исчерпания традиционных источников энергии приобретают значение альтернативные виды топлива. Однако огромная стоимость получения энергии ветра, биомассы, солнечных батарей и других источников тормозит развитие этого направления.
Человечество стоит перед выбором. Как считает академик И. Н. Острецов, энергетика, построенная на углеводородах исторически себя исчерпала [6]. Новых месторождений будет открываться все меньше и меньше. Человечество стоит перед выбором: либо будет обеспечен переход к принципиально новому уровню энергопотребления и энергоэффективности, либо мир будет вынужден идти на ограничение потребления энергии и, следовательно, кардинальное снижение материального благосостояния человечества. Но вряд ли с этим согласятся страны. Скорее мир погрузится в бесконечную войну. Начало этому сегодня уже просматривается в бомбардировках НАТО нефтеносных территорий Ближнего Востока под предлогом помощи повстанцам Ливии.
Альтернативой насильственному переделу источников природных энергоносителей объективно приходит эра атомных электростанций. Атомная энергетика характеризуется рядом преимуществ. Прежде всего, она основана на применении такого вида топлива, которое не надо добывать в шахтах нескончаемым потоком в огромном количестве. Ее беспламенный «огонь» не загрязняет атмосферу дымом и сажей. Электростанции, работающие на угле, выбрасывают не только дым и сажу, но и радиоактивные вещества, причем в большем количестве, чем атомные станции, если исходить из расчета на единицу вырабатываемой энергии. К тому же добыча угля шахтным способом – одно из наиболее опасных профессиональных занятий человека.
Достаточно сказать, что в XX веке только в США, добывая уголь, погибло более 100 тысяч шахтеров, а более миллиона человек получили травмы и заболели антракозом (болезнью черных легких). Как свидетельствует история онкологии: первые больные раком были в Англии трубочисты.
Преимущества АЭС видны в жаркое время года. Жара негативно влияет на гидроэлектростанции, так как из-за испарения уменьшаются водные запасы. Следовательно, уменьшается выработка электроэнергии, а нагрузка на электросети возрастает при усиленной работе холодильных установок, морозильников, кондиционеров. Это приводит к перебоям в энергоснабжении.
Тепловые станции, работающие на природном сырье, функционируют более устойчиво, но производят большое количество вредных выбросов, которые в сочетании с раскаленным воздухом летом, содержащим и другие вредные примеси, негативно воздействуют на человека и окружающую среду.
Главным преимуществом АЭС перед любыми другими электростанциями является их практическая независимость от источников топлива, т. е. удаленности от месторождений урана. Энергетический эквивалент ядерного топлива в миллионы раз больше, чем органического топлива. И поэтому, в отличие, скажем, от угля, расходы на его перевозку ничтожны. Пожалуй, более экологичны, чем АЭС, только электростанции, использующие энергию солнечного излучения или ветра. Но и ветряные электростанции, и гелиостанции пока маломощны и дорогие, находят лишь экспериментальное, а не массовое практическое применение.
Строительство и эксплуатация АЭС сопровождается определенным риском, что стало причиной недовольства некоторой части общества Беларуси возведением Островецкой атомной электростанции. Разумеется, наряду с большими капиталовложениями для постройки станции и ее инфраструктуры, не исключаются вероятностные возникновения аварий. Так, в результате землетрясений и цунами, вызвавших повреждения на АЭС «Фукусима», жители Японии оказались в тяжелейшем положении. Бедствие постигло не нищую страну, а одно из наиболее промышленно развитых государств мира, с высочайшим уровнем производства электронно-технической продукции, с режимом компьютерного управления производственным процессом.
Но в физические законы, открытые цивилизацией, иногда не укладывается стихия природы. И этим она всегда будет выше возможностей человека. Научные открытия и изобретения в атомной энергетике позволяют сегодня выходить на новый, более совершенный, экономичный и более безопасный уровень работы атомных реакторов.
В России реализуется масштабная программа развития атомной энергетики. Выполнение программы позволит к 2020 г. увеличить долю производства электроэнергии на АЭС до 20–30% в целом по стране и до 30–40% в европейской части России.
Каким будет энергетический баланс? Некоторые специалисты утверждают, что в процессестроительства АЭС возможно и удорожание энергоресурсов. К примеру, в 2008 г. в связи с ростом стоимости строящегося реактора во Фламанвиле (Франция) на 20% с 3, 3 до 4, 0 млрд. евро, прогнозная стоимость электроэнергии возросла с 4, 6 до 5, 4 евроцентов/кВт·час [10]. Таким образом, недооценка стоимости электроэнергии составляет около 40%.
Проблема оптимизации энергетического баланса сегодня как никогда актуальна для мировой экономики и национального хозяйства. Президент Казахстана Нурсултан Назарбаев предложил установить международный контроль через создание мировой энергетической организации, которая будет заниматься распределением энергоресурсов во всем мире [11].
Но распределить можно лишь то, что создано, с какими затратами, насколько эффективно и безопасно для общества. Вследствие складывающихся обстоятельств, выше рассмотренных, объективно назревают условия революции в технологии работы АЭС.
Инновации в атомной энергетике позволят государствам нарастить производственный базис экономики. Как видим, сегодня для сохранения мощности экономики США избрали экспансию углеводородных ресурсов Ближнего и Среднего Востока. А Китай, как и другие развивающиеся государства, делает ставку на сверхинтенсивное развитие ядерной энергетики. Китайской программой развития ядерной энергетики предусматривается семикратное увеличение к 2020 г. мощностей всех АЭС – примерно до 40000 МВт. Через пятнадцать лет их доля в общей генерации электроэнергии вырастет до 4–5%. К этому времени намечается построить до 30 новых ядерных реакторов. В ближайшие двадцать пять лет в 5–10 раз собираются увеличивать свои атомные энергетические мощности Иран и Индия, Корея и Индонезия.
Научные открытия и изобретения в атомной энергетике позволяют сегодня выходить на новый, более совершенный, экономичный и относительно безопасный уровень работы АЭС. Решение данной задачи связывается с переходом к середине XXI века всей мировой атомной энергетики на замкнутый ядерный топливный цикл, так называемый уран-плутониевый, а в будущем и ториевый цикл. Основой станут реакторы-размножители на быстрых нейтронах, когда извлеченные из отработанного ядерного топлива уран плутоний повторно используются в качестве нового ядерного топлива. Ядерные реакторы-размножители, по замыслу их разработчиков, способны включить в топливный цикл уран-238, запасы которого в 140 раз превосходят запасы урана-235. В реакторах-размножителях уран-238 превращается в плутоний-239, который также является ядерным топливом [6].
В качестве нового подхода к эксплуатации АЭС явится расширенное воспроизводство ядерной энергии. Основой этого процесса станет использование гигантского количества уже накопленного
сырьевого материала урана-238 и плутония из ядерных отходов. Новая технология в работе АЭС позволит существенно уменьшить объем радиоактивных отходов и поддерживать режим нераспространения (ненаращивания) радиоактивных материалов.
|
|
|
