Эволюция мировой энергетики
Дата: 12/04/2011
Тема: Атомная энергетика



В.Н.Половинкин, засл. деятель науки РФ, д.т.н., проф., ЦНИИ им. ак. А.Н.Крылова
А.Б.Фомичев, к.т.н., ген. директор ОАО «Балтийский завод»

Человечество приблизилось к грани величайшей экологической катастрофы, которая ожидает Землю. Планета вступает в культурно-историческую эпоху чрезвычайно возросшей сложности социально-политического, экологического и технического развития, которое привело к увеличению числа катастроф, в том числе, техногенных, планетарных по масштабам и последствиям. Примером чему являются последние события в Японии.


Отходы человеческой деятельности накапливаются с такой скоростью, что природа уже не справляется с ними. Первичные энергетические ресурсы становятся все более труднодоступными, а естественные природные процессы развиваются в опасных, непредсказуемых направлениях. В этих условиях начинается новый виток развития человечества.

Масштаб современного развития, в первую очередь, мировой энергетики столь велик, что ресурсные факторы и проблемы экологии приобретают статус критических ограничений, дальнейшее нарушение которых грозит человеческой цивилизации. Для обеспечения дальнейшего устойчивого развития необходимы нетрадиционные знания, новые высокоэффективные технологии. Чрезвычайно актуален вопрос о становлении нового миропонимания, которое бы позволило строить более гармоничные отношения между человеком, производством и природой, между людьми и сообществом в целом.

Для поддержания и развития жизнедеятельности человечество использует три потока ресурсов – информацию, энергию и материалы. В отличие от практически неограниченных информационных потоков, материальных ресурсов с потенциально возможным рециклом их использования, увеличение скорости потребления энергетических ресурсов ведет к всё возрастающему темпу сокращения потенциальных запасов доступных ресурсов.

Непродуманная производственная деятельность человека, игнорирование объективных законов природы, обусловили своеобразный вызов планете. Для решения глобальных проблем должны быть мобилизованы усилия ученых на разработку энергосберегающих, экологически безопасных и, в первую очередь, энергогенерирующих технологий.

Изменение энергоресурсной, энергоэкономической, энергоэкологической стратегий

Все эти проблемы едины и взаимосвязаны. Причина их резкого усугубления связана, в первую очередь, с традиционной для современной цивилизации углеводородной энергетической базой. Углеводородная энергетика ещё достаточно долгое время будет оставаться главным участником мирового энергетического рынка, нанося непоправимый ущерб здоровью населения нашей планеты и её окружающей среде. Последние 30-50 лет проблема влияния парниковых газов – основных продуктов сгорания органического топлива на окружающую среду только усугубляется. В начале XXI в. эмиссия парниковых газов достигла кризисного предела, вследствие чего международное сообщество приняло решение и обязательства по их сокращению.

Усиление напряженности геополитических проблем также диктуют необходимость активного развития энергосберегающих, экологически чистых и экономически доступных энергетических технологий, в том числе, принципиально новых технологий использования традиционного углеводородного сырья и ядерного топлива.

Создания энергетики будущего, которая позволит исключить или существенно ограничить использование процессов горения (окисления) углеводородного топлива, включена в число 25 величайших научных проблем XXI в. В обращении к Конгрессу в феврале 2011 г. президент США поставил задачу к 2035 г. до 85% энергии получать за счет возобновляемых источников. Но иначе как популистским, данное высказывание американского президента назвать трудно.

По мнению лауреата Нобелевской премии по химии американского ученого Уолтера Кона, мир вскоре вступит в эпоху ветровой и солнечной энергетики. Еще дальше в прогнозах о ближайших перспективах внедрения альтернативной энергетики пошли представители Всемирной организации Greenpeace и Европейский совет по возобновляемой энергии. По их мнению, они представили «один из наиболее детально разработанных глобальных законопроектов, в соответствии с которым к 2050 г. мир мог бы получать 95% электроэнергии из альтернативных источников». Прогнозы заманчивые, но вызывающие большие сомнения.

Природные ресурсы современной и перспективной энергетики

Первичные природные энергетические ресурсы (ПЭР) можно классифицировать по месту нахождения (литосфера, гидросфера, атмосфера, космос; по воспроизводимости (возобновляемые и невозобновляемые ресурсы); по степени доступности.

По степени доступности ПЭР классифицируют с учетом надежности оценки их количества (разведанности) и экономичности. В настоящее время даже теоретически невозможно достоверно определить величину запасов минерального сырья, которые потенциально можно извлечь из недр Земли. В первую очередь принято учитывать запасы, которые могут быть извлечены при существующем уровне развития техники и технологии. Поэтому прогнозные оценки разведанных энергоресурсов отличаются в десятки и более раз и имеют только качественный характер. Так, мировые запасы нефти оцениваются от 140 до 150 млрд тонн (в то время, как к 2006 г. уже было добыто около 152 млрд тонн). По наименее оптимистическим прогнозам доказанных запасов нефти человечеству хватит на 27 лет. При этом предполагается, что потребление нефти за эти годы не увеличится. С учетом ежегодного 5%-ного роста потребления нефти, мировых доказанных запасов нефти вообще должно хватить только на 15 лет. Доказанные запасы природного газа составляют 170-200 трлн м3. В настоящее время уже добыто порядка 90 трлн м3. Доказанные мировые запасы угля составляют более 900 млрд тонн. При существующем уровне технологий добычи и утилизации человечество может быть обеспечено углем приблизительно на 160 лет.

По мере уточнения потенциальных объемов, районов залегания, разработки технологий добычи и т.д., энергетические ресурсы переводятся в категорию запасов. Спрос на каждый вид топлива, зависящий от уровня развития науки и техники, обусловливает «перевод» энергетических ресурсов в энергетические запасы.

В конечном счете, энергетические запасы, технологии их переработки и утилизации определяют не только техническую, но внутреннюю и внешнюю политику государств. Современная мировая политика – по сути своей, сырьевая политика. Все происходящие войны, вооруженные конфликты, в том числе, и последние события в арабских странах, в основе своей представляют борьбу за природные ресурсы. Так было, есть и так будет всегда.

Объем экономически доступной части энергетических ресурсов величина не постоянная, которая может, как уменьшаться (за счет использования, или снижения покупательной способности вследствие падения эффективности экономических механизмов), так и расти (вследствие внедрения новых, более эффективных технологий добычи, переработки и утилизации).

Несмотря на пессимистические прогнозы специалистов о скором исчерпании первичных ресурсов, запасы природного урана, органического топлива в земной коре и газогидратов в океане огромны. Рост их добычи и использования в дальнейшем будет сдерживаться не исчерпанием, а снижением качества доступных ресурсов и уровнем допустимых возмущений природных процессов, вызываемых усиливающимся вторжением человека в природу. Так, наблюдаемый сегодня рост мощности землетрясений является следствием недостаточно продуманной добычи всех видов природных ресурсов. Доказанным фактом является нарастание интенсивности природных явлений, приводящих к техническим и природным катастрофам с гибелью большого числа людей и гигантским экологическим ущербом, которые в значительной степени носят антропогенный характер. По мнению специалистов, катастрофа в Мексиканском заливе обусловила природные катаклизмы, связанные с засухой в одних регионах и наводнениями в ряде других регионов мира. Ракетные удары по Ливии, в свою очередь, породят серию землетрясений в целом ряде районов планеты. Такова ответная реакция природы на техническое варварство человека.

Структура потребления ПЭР и объемы их мирового потребления представлены в табл. 1, 2.

Табл. 1 Структура потребления первичных ресурсов на 2006 г.

Источники энергии,%

Уголь

Нефть

Газ

Гидроэнергия

Атомная энергия

Возобновляемые источники и биомасса

Полное потребление энергии -11,6 млрд тнэ.

24,1

35,2

21,0

2,2

6,3

11,2

Полное производство электрической энергии, 19,0 ТВт ч.

39

7

19

16

17

2


Табл. 2 Потребление энергоресурсов по секторам экономики

Сектор потребления, %

Производство ЭЭ и тепла

Промышленность

Транспорт

Другие потребители

Полное потребление ЭЭ –

11,6 млрд тнэ.

35

21

18

26


В табл. 3. показаны объемы добычи первичных энергетических ресурсов в РФ. Ежегодное производство ПЭР в РФ составляет более 12% мирового объема.

Табл. 3 Добыча первичных энергетических ресурсов в РФ

Энергоресурсы

1990 г.

2000 г.

2010 г. (прогноз)

Производство энергоресурсов, всего, млн тонн условного топлива, в том числе:

Нефть и конденсат, млн тонн

Природный и попутный газ, млрд м3

Уголь, млн тонн

Гидроэнергия, млрд кВтчас

Атомная энергия, млрд кВтчас

Нетрадиционные (альтернативные) энергоресурсы, млн тонн условного топлива


1855


515

640

396

167

118

1

1500


305

740

260*
170

125

6

1800


До 450

860

325

185

150

17


По экспертным оценкам, к 2015 г. добыча нефти в РФ может составить 530 млн т, а ее экспорт — 310 млн т; добыча газа - 740 млрд м3, а экспорт — 290 млрд м3. Изменяющаяся структура мировой энергетики к 2030-2050 гг. может существенно снизить конкурентные возможности России.

Эволюция энергетики

По мнению специалистов, традиционные энергетические ресурсы на основе ископаемого природного топлива не в состоянии обеспечить энергетическую безопасность современной цивилизации даже в текущем XXI веке. Бытовавшее представление о неисчерпаемости ресурсов Земли, о способности окружающей среды выдерживать любую антропогенную нагрузку, уходит в прошлое. Для дальнейшего развития человечество должно осуществить эволюционные преобразования энергетики путем перехода от существующих ресурсов и технологий к более эффективным и безопасным технологиям, в том числе, использующим нетрадиционные ресурсы. Однако, полный отказ от традиционных углеродов и, особенно, уранового или ториевого топлива даже в отдаленной перспективе представляется утопией, не имеющей научного обоснования.

Какова же энергетика будущего?

Перспективные направления развития экологически безопасных энергетических технологий определяет сама природа. Выбор возможных вариантов должен ориентироваться на существенное снижение загрязнения атмосферы, гидросферы и литосферы. Это проблема № 1. На рис.1 представлено отраслевое распределение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в РФ.



Рис. 1. Отраслевое распределение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в РФ

Основную долю выбросов дают топливная промышленность и электроэнергетика, представляющие собой единый энергогенерирующий комплекс, а также цветная металлургия. В глубинной модернизации в первую очередь нуждается энергогенерирующий комплекс. Но разработка новых технологий получения энергии и их внедрение в промышленность осложняются устойчивой тенденцией роста потребления электрической энергии и возникающим её дефицитом. Если в 2000 г. потребление электроэнергии составляло 880 млрд кВт/ч, в 2005 г. оно достигло 993 млрд кВт/ч, а в 2010 г. составило уже 1127 млрд кВт/ч. По прогнозам аналитиков, дефицит электрической энергии в РФ в 2011 г. достигнет уровня 25-30%. В целом спрос на электроэнергию в России ежегодно увеличивается на 3-4%. Аналогичный процесс наблюдается и в других развитых странах. Особенно остро проблема недостатка энергии ощущается в странах третьего мира с наиболее значительным приростом населения.

По данным Фонда народонаселения ООН («Доклад о народонаселении планеты» за 2010 г.) к 2050 г. численность населения Земли превысит 9 млрд человек (в настоящее время на планете проживают 6,89 млрд человек. Данные ганноверского фонда «Население Земли»). Самым значительным будет рост численности населения в азиатском регионе: с нынешних 4,167 до 5,232 млрд человек. Всем этим людям будет нужна энергия. Кроме прямого роста населения растут и потребности людей, желание сделать жизнь более комфортной. А с учетом их сегодняшних условий жизни, рост энергопотребностей и энергозатрат в этих странах будет более интенсивный. По прогнозу, среднемировое душевое энергопотребление уже в ближайшее время составит 2,3-2,4 т у.т./чел. год. При численности населения планеты 10 млрд чел. к 2100 г. ежегодное потребление энергии составит 23-25 млрд т у.т., что в 1,5 раза превосходит современный уровень.

Запасы традиционных источников энергии

А хватит ли, и если хватит, то, на сколько, традиционных источников энергии (нефти, газа, урана, угля), и не пора ли более масштабно и обоснованно переходить на альтернативные, возобновляемые источники?

Энергии требуется все больше. К 2020 г. энергопотребление составит около 16 млрд тонн нефтяного эквивалента. По наиболее пессимистичным прогнозам через 40 лет будут исчерпаны мировые запасы нефти, через 70 лет — запасы газа, через 160 лет — запасы угля. По наиболее оптимистичным прогнозам: угля хватит более чем на 1000 лет, газа — на 110—120 лет, нефти — на 100 лет, а скорость их исчерпания пропорциональна растущему потреблению.

Политики, экономисты и ученые разных стран развернули широкую кампанию по выработке сценариев и концепций развития будущего Земли, основой которых является скорейший переход на альтернативные, возобновляемые источники энергии и постепенный отказ от традиционных источников. Но, к сожалению, многие подходы политизированы, авансированы бизнесом и не имеют достаточного научного обоснования.

Энергопотребление и ВВП
Решить проблему наращивания потребления энергии на планете кардинально возможно только с использованием инновационных технологий. Прогноз динамики энергопотребления в XXI в. представлен на рис. 2



Рис 2. Прогноз динамики энергопотребления в XXI в. [1]

Выбор наиболее эффективной и безопасной технологии получения энергии особенно актуален для России в связи с высокой ресурсоемкостью нашего ВВП, в два раза превышающей этот показатель для США и более чем в четыре раза – для Западной Европы. На производство единицы ВВП, по официальным данным, Россия расходует больше чем США: нефти – на 36%, каменного угля – на 56%, природного газа – на 42%, стали – на 138%. Фактическое превышение намного больше. Динамика энергоемкости ВВП различных стран мира представлена на рис. 3.


Рис. 3.Динамика энергоемкости ВВП (кг н.э./долл.)

При таком положении продукция отечественного производства никогда не будет конкурентоспособной на мировом рынке, и нам будет уготована роль источника дешевого сырья и свалки мировых отходов. В то же время, указанная ресурсоемкость нашего ВВП говорит о том, что задача удвоения ВВП может быть решена не наращиванием производственных или энергетических мощностей, а сокращением энергетических расходов, масштабным внедрением перспективных ресурсосберегающих технологий. То есть перспективной энергогенерирующей технологией в нашем случае является технология сбережения. Только продуманная системная инновационная политика позволит обеспечить устойчивое развитие нашего государства. Используя передовой зарубежный опыт, необходимо развивать свои принципиально новые ресурсосберегающие технологии.

Масштаб генерации и потребления энергии, её стоимость определяют не только уровень экономического благополучия отдельного государства, но и интенсивность развития мировой экономики в целом. Параметр, на который важно обратить внимание, – относительные затраты на обеспечение экономики энергией. Если доля затрат на энергию увеличивается, это плохо. В перспективе это может привести к тому, что затраты на обеспечение своей деятельности энергией могут оказаться непомерными и поведение экономической системы будет неустойчивым. При превышении доли затрат на генерацию энергии в мировом ВВП свыше 10%, в глобальной экономике начинаются кризисные явления. На рис.4 показана динамика изменения глобального ВВП в период с 1975 по 2008 гг.


Рис. 4 Динамика изменения доли затрат на энергогенерацию в глобальном ВВП за период 1975-2008 гг. Источник: РНЦ "Курчатовский институт" [10]

По мнению специалистов, причины, по которым затраты на выработку энергии превышают критическую долю от глобального ВВП, не имеют принципиального значения. Так, в 1980-х гг. рост цен на энергетические источники и превышение их доли более чем на 10% от объема мирового ВВП были обусловлены сокращением поставок нефти с Ближнего Востока в развитые страны по политическим мотивам. В этот период, прежде чем кризис приобрел глобальный масштаб, мировая экономика сместилась в область неустойчивости. Начиная с 2007 г. превышение доли затрат на генерацию энергии в глобальном ВВП до 8-10% обусловил устойчивую рецессию мировой экономики. Непродуманная политика ряда стран в отношении арабских государств в настоящее время приведет мир к экономическому коллапсу.

Конечно, критическое значение доли энергозатрат в ВВП, составляющее 10%, не является постоянной мировой константой. Эта величина, в первую очередь, зависит от структуры распределения людей по сферам занятости в экономике, от уровня инновационного развития, от политики внедрения ресурсосберегающих технологий и др. Для современного экономического уклада, 10% являются обоснованной оценкой предельного порога.

Рост цен на первичную энергию связан, главным образом, с высокими темпами роста экономик развивающихся стран, потребность которых в энергии постоянно увеличивается. В то же время традиционная сырьевая база близка к насыщению.

Необходимо отметить ещё одну закономерность, связанную с тем, что наполнение ВВП, в первую очередь, зависит от глубины утилизации первичных ресурсов, характерной для данной национальной экономики. Чем глубже утилизация (получение расширенного ряда конечных продуктов), тем большее наполнение имеет ВВП. Государства, поставляющие на рынок в основном первичные ресурсы, не могут рассчитывать на прогрессирующее развитие. Не случайно Китай, Беларусь и ряд других государств, обеспечивая максимальную глубину утилизации закупаемых первичных ресурсов, имеют самые высокие в мире темпы роста ВВП. В то время как исключительно богатая ресурсами Россия влачит жалкое существование.

По данным системных исследований развития энергетики, даже в случае реализации оптимистического предположения о росте добычи первичных энергоисточников, в энергетическом балансе сохранится постоянно нарастающая часть неудовлетворенного спроса, то есть стоимостные показатели будут увеличиваться. Рост цен на сырье и другие энергоносители приведет к дальнейшему увеличению доли стоимости энергии в ВВП. И после преодоления очередного кризиса начнут формироваться условия для нового кризиса. Сколько таких циклов сможет выдержать мировая экономика, оценить сложно, но очевидно, что они будут все больше и больше сокращать инвестиционные возможности.

Только атомная энергетика обладает таким уникальным качеством, как практическая нечувствительность к стоимости природного сырья при использовании в топливном цикле в качестве энергетического источника плохо делящихся изотопов урана-238 и тория-232. Если бы вся современная энергетика базировалась только на атомной энергии, даже с учетом ее большой инвестиционной составляющей, доля затрат на обеспечение экономики энергией не превышала бы 6% глобального ВВП. Кроме того, атомная энергетика – это восприимчивый к высоким технологиям, экологичный способ энергопроизводства с большой долей интеллекта. Ее ресурсная база измеряется тысячелетиями при любых мыслимых масштабах и вариантах развития мировой экономики и энергетики. Трагические события в Японии не должны ставить под сомнение перспективы развития атомной энергетики. Тем более что в данном случае имели место закритические уровни воздействий, учесть которые в полной мере при проектировании энергетических комплексов физически не возможно.

Ситуацию, сложившуюся в мировой энергетике, можно разрешить только масштабным развитием новых технологий, способных удовлетворить нарастающий спрос на энергию. Постоянное (не всегда обоснованное) повышение цен на традиционные энергоресурсы перекрывает перспективу более дорогому, и в то же время, безопасному источнику, даже в том случае, если его ресурсная база очень велика. Сырьевой бизнес, практически определяющий мировую политику, упорно стремиться сохранить традиционную энергетику. И переломить подобную ситуацию чрезвычайно сложно.



Альтернативные возобновляемые источники энергии

В связи с необходимостью развития безопасной высокоэффективной энергетики остро стоит вопрос об увеличения доли использования альтернативных возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

На рис. 5 представлена диаграмма потребления традиционных энергетических ресурсов.


Рис. 5 Диаграмма потребления энергетических ресурсов [1]

О массовом внедрении ВИЭ в настоящее время говорить не приходится. В современном топливном балансе мировой электроэнергетики (и по прогнозу до 2050 г.), их доля не превысит единиц % (рис. 6, 7).


Рис. 6. Топливный баланс электроэнергетики [1]


Рис.7 Изменение структуры электроэнергетики до 2050 г. [1]

Общая мощность всех электростанций в настоящее время составляет примерно 2000 ГВт. В структуре производства электрической энергии (ЭЭ) в России превалирует природный газ (вместе с нефтепродуктами - 51%) при доле угольной энергетики 19%, гидроэнергии и ядерной энергии - по 15%. Более половины территории нашей страны не обеспечена централизованным энергоснабжением. Единая энергетическая система РФ (самая протяженная в мире) имеет межрегиональную пропускную способность только до 8 ГВт. Кроме того, у нас самые высокие транспортные потери ЭЭ (до 20%), в два раза превосходящие мировой уровень. В тепловой энергетике при транспортировке мы теряем вообще до 40%.

Сократив транспортные потери ЭЭ на 10%, Россия может отказаться от наращивания дополнительных энергогенерирующих мощностей для обеспечения возрастающих потребностей как минимум на 10-15 лет. Специалисты всё чаще говорят о целесообразности децентрализации некоторых энергетических систем.

Энергетические технологии, построенные на возобновляемых источниках, появляются в мировой системной электроэнергетике с 2010 г. Областью широкого применения ВИЭ скорее всего станут автономные, мобильные индивидуальные энергетические комплексы малой или региональной энергетики. По мнению авторов, ВИЭ займут нишу дополнительных и региональных компонент к существующим традиционным системам энергообеспечения. В настоящее время вместе с гидроэнергетикой (без учета использования биомассы) ВИЭ составляют 3% потребляемой человечеством первичной энергии. По объему производства энергии на ВИЭ Россия отстает от стран Европы, США, Индии, Китая, Японии на десятилетия. Так, в 1990 г. на долю ВИЭ в РФ приходилось около 0,05% первичной энергии, в 1995 - 0,14%, в 2009 г. – чуть больше 0,5%, в 2020 г. (прогноз) достигнет 1%. К 2050 г. на ВИЭ будет приходиться не более 10-12% мирового энергопотребления.

При определении ресурсов ВИЭ рассматривают три категории энергетического потенциала:

- теоретический (валовый) энергетический потенциал (ВЭП) - полная теоретическая сумма энергии возобновляемого источника;

- технический энергетический потенциал — часть ВЭП, которая технически может быть использована или уже используется;

- экономический энергетический потенциал — часть ТЭП, использование которой является технически оправданным и экономически эффективным.

При определении возможностей ВИЭ специалисты, как правило, оперируют теоретическим энергетическим потенциалом, что приводит к  существенным прогнозным ошибкам в оценке эффективности ВИЭ.

В Распоряжении Правительства № 1р «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 г.» (январь 2009 г.) к категории возобновляемых источников в РФ отнесены солнечная, ветровая, гидравлическая (малые ГЭЖС мощностью до 30 МВт), геотермальная энергии, а также биомасса и низкопотенциальная тепловая энергия разных сред. Предполагается прогнозное увеличение производства и потребления электроэнергии с использованием ВИЭ: в 2010 г. — 1,5%, в 2015 — 2,5%, в 2020 — 4,5%.

В табл. 5. представлены мировые экономические ресурсы наиболее перспективных возобновляемых источников энергии.


Табл. 5 Экономические ресурсы перспективных возобновляемых источников энергии

Тип ВЭИ

Ресурсы, ЭДжгод*
Кумулятивные ресурсы до конца XXI века, тыс. ЭДж.

Солнечная энергия

183

17,4

Ветровая энергия

176

16,7

Биомасса

92

8,7

Геотермальная энергия

84

8,0

Гидроэнергия

32

3,0

Всего

570

54


Россия обладает достаточно большими ресурсами ВИЭ (по наиболее смелым прогнозам потенциал ВИЭ достигает 90 млрд тнэ, что в пять раз больше всех разведанных запасов нефти, газа и угля). Но в настоящее время доля энергии, вырабатываемой на установках ВИЭ в РФ, чуть больше 0,5%.


Продолжение - здесь.







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=2943