Проблемы энергетики

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ И ВОЗМОЖНЫЕ СПОСОБЫ ИХ РЕШЕНИЯ (В.Я. Ушаков)

«Энергетическая картина» мира

В Энергетической стратегии России до 2030г. «энергетическая безопасность» трактуется как «состояние защищённости страны, её граждан, общества, экономики от угроз топливо- и энергообеспечению». В ХХв. суммарное мировое потребление энергии увеличилось в 15 раз, а душевое – в 4,4 раза.

1.Основные проблемы общества, связанные с энергетикой.

Можно говорить о трех энергетических проблемах, в наибольшей мере влияющих на все стороны жизни человека и затрагивающих сами основы устойчивого развития цивилизации: 1.дефицит энергоресурсов и электроэнергии; 2.угроза благополучию окружающей среды вследствие техногенного воздействия объектов энергетики; 3.геополитические и социальные угрозы.

Первая проблема, связанная с исчерпаемостью  (невозобновляемостью) основных на сегодня энергетических ресурсов (из них сегодня вырабатывается более 80% электроэнергии), усугубляется крайней неравномерностью их распределения по планете. Существуют 2 способа повышения энергообеспеченности: поиск и освоение собственных энергоресурсов (невозобновляемых и возобновляемых); энергосбережение и повышение энергоэффективности.

Энергодефицитные страны вынуждены тратить значительную часть своего ВВП на закупку энергоресурсов, что негативно влияет на экономику и социальную сферу. К тому же они оказываются уязвимыми для политических и социальных катаклизмов в отличие от стран поставщиков энергоресурсов на мировой рынок. Но проблема энергоресурсов есть и у энергоизбыточных стран. Речь идёт об опасности для них «сесть на нефтегазовую иглу», т. е. жить за счёт природной ренты. Россия в последние десятилетия оказалась, фактически, в числе таких стран.

Вторая проблема – экологическая – нарастает по мере роста масштабов энергетики. А эти масштабы и используемые энергетикой технологии на сегодня таковы, что более 50% техногенных выбросов в атмосферу парниковых газов приходятся на объекты энергетики. Энергетика интенсивно загрязняет также литосферу и гидросферу.

Третья проблема, неравномерность распределения энергоресурсов на Земле, которая воспринимается как несправедливость не только частью обывателей энергодефицитных стран, но и некоторыми политическими и государственными деятелями, создает основу третьей проблемы. Её следствиями являются попытки насильственного передела энергетических ресурсов (экономическими, политическими и даже военными средствами);

2. Способы решения проблем

Концепции развития энергетики Большинство экспертов приходят к выводу, что решение проблемы удовлетворения растущих потребностей человечества в энергии лежит на пути реализации концепций энергосбережения и энергозамещения. Концепция энергосбережения заключается в повышении эффективности обращения с энергоресурсами на всех этапах их жизненного цикла: от добычи ресурсов до производства из них электрической энергии и потребления. Концепция энергозамещения означает постепенный переход от традиционного топлива (газа, угля, нефти, урана) к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ), а также освоение новых технологий получения электрической и тепловой энергии. Обе концепции должны реализовываться одновременно с постепенным усилением акцента на энергозамещение, поскольку у энергоэффективности есть пределы роста в виде физических законов.

Энергосбережение

Отправной точкой для проведения активной целенаправленной политики в области энергосбережения можно считать нефтяной кризис 1973–1974 гг. Выход был найден, прежде всего, в экономии энергоресурсов за счёт: а) разработки и реализации программ энергосбережения во всех сферах экономики и в социальной сфере; б) в стимулировании расширения масштабов использования НВИЭ; в) в структурной перестройке экономики. Переориентация высокоразвитых стран на энергоэффективный путь развития в нашей стране осталась незамеченной или не принятой во внимание. Развитие экономики продолжало планироваться без серьёзного учёта энергоёмкости ВВП. На сегодня она в нашей стране выше в 3,5…4 раза по сравнению с передовыми странами, а объём избыточно потребляемых энергоресурсов, который фактически является потенциалом энергосбережения, достигает 44-45 % от общего энергопотребления. Основными факторами, обусловливающими большую энергоёмкость российской экономики, являются следующие:

1. Суровые климатические условия на территории России (только 2 % населения Земли, кроме россиян, живут в подобных климатических условиях) – 20,6 %.

2. Большие расстояния (первое место в мире по размерам территории) и большие энергозатраты на их преодоление – 18,3 %.

 3. Устаревшие технологии и изношенное оборудование – 24,4 %.

4. Низкие, по сравнению с большинством зарубежных стран, цены на энергоресурсы, не стимулирующие энергосбережение, – 14,6 %.

5. Энерго и ресурсорасточительный менталитет российских граждан – 10,4 %.

6. Несовершенная нормативноправовая база энергосбережения, несовершенство учёта ТЭР и слабый энергетический надзор – 11,7 %.

Лишь переход на рыночный путь развития, заставили руководство страны объявить в середине 90-х гг. прошлого века энергосбережение важнейшей компонентой государственной политики. Стартовые условия для реализации такой политики оказались чрезвычайно тяжелыми: «задержка на старте» на четверть века и, как следствие, отсутствие нормативноправовой базы, слабая материальнотехническая, методическая и кадровая база организации энергосбережения. Ситуация осложнялась большим моральным и физическим износом основных фондов в отраслях экономики, а также утерей населением традиций бережливости и рачительного отношения к природным богатствам. Движение по пути активного энергосбережения началось с создания соответствующей нормативноправовой базы: федеральных законов, указов президента и постановлений правительства (только на федеральном уровне выпущено несколько десятков документов). Благодаря этому, за последние 15 лет удалось достичь определённых результатов:

Замещение традиционных первичных энергоресурсов

По мере удорожания традиционных энергоресурсов (вследствие роста энергопотребления и истощения месторождений, удобных для разработки) возрастает интерес к вспомогательным (альтернативным) топливным ресурсам ВТР – горючим сланцам попутному нефтяному газу, угольному (шахтному) метану и т.д. Почти по всем видам ВТР на сегодня разработаны и освоены технологии их добычи и преобразования в электрическую и тепловую энергию. Первоочередной задачей здесь является улучшение экономических показателей производства энергии из ВТР до конкурентного уровня. Вовлечение в хозяйственную деятельность уже освоенных ВТР в крупных масштабах хотя и «не сделает погоду» в большой энергетике, но будет способствовать решению ряда задач: 1.продление срока жизни нефтяного и газового секторов топливно-энергетического комплекса; 2.сдерживание роста цен на углеводороды; 3.увеличение числа стран и регионов, имеющих собственное энергетическое сырьё.

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии НВИЭ – это энергоресурсы постоянно существующих природных процессов на планете, а также энергоресурсы продуктов жизнедеятельности биоценозов растительного и животного происхождения. К НВИЭ относят: биомассу, солнце, ветер, земные недра, водотоки (малые реки, каналы), воды морей и океанов, содержащих потенциальную энергию градиентов температуры, кинетическую энергию приливов и отливов, волн и течений, а также химическую энергию градиентов солёности. В последние годы сюда же относят горючие бытовые и производственные отходы. Характерной особенностью ВИЭ является их неистощимость, либо способность восстанавливать свой потенциал за короткое время – в пределах срока жизни одного поколения людей. По оценкам экспертов, мировой потенциал НВИЭ составляет 20 млрд т., что в 2 раза больше нынешней добычи. Рост масштабов использования НВИЭ сдерживается рядом характерных для них недостатков, обусловленных их природой, которые сужают границы экономической эффективности использования НВИЭ:

1) низкой удельной мощностью потока энергоносителя, которая обусловливает большие габариты и массу энергоустановок и, соответственно, большие удельные капитальные затраты на их сооружение (примерно от 2 до 15 тыс. долл./кВт);

2) низким КПД – доли первичной энергии, преобразуемой в электричество или техническое тепло

3) большой суточной, сезонной и стохастической нестабильностью мощности большинства НВИЭ, что требует совместной эксплуатации энергоустановок на различных НВИЭ, работы в паре с агрегатами на традиционном топливе или аккумулирования энергии, что существенно усложняет и удорожает сооружение и эсплуатацию таких энергетических комплексов.

Альтернативные способы производства энергии

В решении проблем энергетики большие надежды человечество возлагает на развитие альтернативной энергетики, которая основывается на известных, но не освоенных в промышленных масштабах эффектах. Речь идет, прежде всего, о расширении масштабов использования атомных реакторов на быстрых нейтронах, об управляемом термоядерном синтезе и о прямом преобразовании энергии водорода и кислорода в электрическую с помощью электрохимических генераторов (топливных элементов).

Реакторы на быстрых нейтронах. Замкнутый ядерный топливный цикл Атомная энергетика сегодня удовлетворяет около 18% мировых потребностей в электрической энергии (в России – около 16 %). Считается реально достижимым к середине столетия увеличение доли атомной энергетики до 30-40% в общем производстве электроэнергии при условии радикального повышения эффективности использования ядерного топлива и безопасности АЭС. Долговременная стратегия развития атомной энергетики предполагает переход к прогрессивной технологии на основе использования «быстрых» реакторов (БР). Принципиально важно, что в БР возможны превращение ²³⁸U в делящийся изотоп плутония ²³⁹Pu и реализация замкнутого топливного цикла – переработка топлива, выгруженного из реакторов АЭС, для последующего дожигания невыгоревших и вновь образовавшихся делящихся изотопов.

В целом, перевод атомной энергетики на «всеядные» БР открывает перспективу создания топлива для АЭС в виде искусственных делящихся элементов на неограниченную перспективу, а само ядерное топливо перевести в разряд практически возобновляемых энергетических ресурсов. Однако, несмотря на «всеядность» БР и возможности реализации с их помощью замкнутого ядерного топливного цикла, они не получили широкого распространения из-за ряда серьезных проблем с их эксплуатацией.

Россия является лидером в разработке нового поколения БР. Эксплуатация в СССР и России в течение четверти века промышленных реакторов: БН-350 в г.Шевченко (Актау, Казахстан), БН-600 в г.Заречном (Свердловская обл.), доказала реализуемость идеи регенерации отработанного урана, плутония, продуктов деления в целях создания нового топлива. Начато строительство реактора БН-800 (площадка Белоярской АЭС), который рассматривается МАГАТЭ как перспективная модель атомной энергетики XXI в., способной обеспечить в недалеком будущем лидирующие позиции России на этом рынке. Начато проектирование реактора БН-1600. Ожидается, что к 2025–2030 гг. именно этот реактор станет основой для российской программы развития атомной энергетики.

Термоядерная энергетика

Реакторы с магнитным удержанием плазмы. Начиная с 50-х гг. ХХ в. ведущие державы тратят большие усилия и средства на овладение реакцией управляемого синтеза легких элементов (УТС) – практически неисчерпаемым источником энергии. На единицу веса термоядерное топливо дает в 10 млн раз больше энергии, чем органическое топливо и в 100 раз больше, чем уран. Многолетние исследования УТС показали, что создание промышленного реактора (термоядерной электростанции) – дело отдаленного будущего.

Даже при успешном решении научно-технических проблем на пути широкого использования будущих ИТС электростанций встанут экономические проблемы. Но, тем не менее, это направление в освоении УТС продолжает развиваться в Великобритании, Франции, США, Японии, России.

Водородная энергетика

Перспективным направлением в решении экологических проблем энергообеспечения в последние годы признана водородная энергетика, базирующаяся на водороде как топливе. Важнейшим преимуществом водорода является экологическая чистота получения из него электрической энергии с помощью топливного элемента. Последний представляет собой электрохимический генератор, осуществляющий прямое преобразование химической энергии в электрическую. При этом единственным побочным продуктом реакции является вода. Стационарная энергетика стала проявлять интерес к водородной энергетике и к топливным элементам, как к ее технологической основе, в связи с быстрым ростом мощности топливного элемента. В большой энергетике водород, вероятно, сможет занять лидирующее положение только к концу нынешнего столетия.

В настоящее время большую часть производимого в промышленных масштабах водорода получают в процессе паровой конверсии метана. Этот способ на сегодня наиболее хорошо освоен и широко распространен, хотя и имеет ряд недостатков: более перспективным, но пока и более дорогим способом производства водорода является электролитическое разложение воды – электролиз с помощью электроэнергии, получаемой либо из традиционного топлива, либо из НВИЭ. Третий способ получения водорода – термолиз воды, т. е. разложение воды на водород и кислород при температуре выше 2500 °С.

В нашей стране в последние годы работы в области водородной энергетики и топливных элементов выполняются, в основном, в кооперации с зарубежными партнерами. Это внушает оптимизм относительно масштабного внедрения топливного элемента в электроэнергетику. Наиболее вероятно, что произойдет это не ранее середины этого столетия.

Выводы

1. На сегодня основной проблемой в мировой энергетике является не недостаток энергоресурсов, а недостаток инвестиций. В ХХI в. человечеству не грозит глобальная нехватка энергетических ресурсов при условии успешной реализации стратегий энергосбережения и энергозамещения, а также создания цивилизованного мирового рынка энергоресурсов и энергии.

2. Наиболее вероятным представляется сценарий развития энергетики на основе использования всех или, по крайней мере, большинства уже известных на сегодня энергоресурсов и наиболее прогрессивных технологий их преобразования в электрическую и тепловую энергию. На ближайшие десятилетия не просматриваются ни новые источники энергии, ни принципиально новые способы получения электричества и теплоты.

3. Более реальная угроза устойчивому развитию цивилизации исходит от нарастающего губительного техногенного воздействия на природную среду, в первую очередь, топливно-энергетического комплекса. В энергетике уменьшение ущерба природе должно осуществляться как за счёт энергосбережения, так и за счёт повышения экологической чистоты энергетических технологий