ЭНЕРГОХОЗЯЙСТВО ЗА РУБЕЖОМ

Роль электроэнергии в ХХI веке. Электроэнергия – это основная движущая сила, обеспечивающая повышение производительности труда, заработной платы и числа рабочих мест. Национальная инженерная академия США еще в начале прошлого столетия признала “многочисленные сети электроснабжения” техниче- ским достижением ¹ 1 в XX веке, и считала, что, с точки зрения влияния на качество жизни людей в ХХ веке, электроэнергия важнее автомобилей, радиовещания, телекоммуникаций, компьютеров и даже здравоохранения: электрификация сыграла очень важную роль в приведении в порядок городов, повышении эффективности и производительности в промышленности и бизнесе, а также в экономном расходовании природных ресурсов. В значительной степени благодаря электрификации на протяжении последнего столетия энергоемкость мировой экономики постепенно снижалась (примерно на 1% в год), а углеродная интенсивность (количество углерода, выбрасываемого в атмосферу в расчете на 1 т условного топлива потребляемой первичной энергии) за тот же период снижалась со скоростью около 0,3% в год. На протяжении ХХ века доля электроэнергии в структуре потребляемой энергии постепенно увеличивалась и достигла 40% в странах, входящих в Организацию экономического сотрудничества и развития (ОЭСР).

Всеобщая электрификация открывает путь к решению определяющих в ХХI веке проблем: сдерживания роста населения, преодоления бедности, предотвращения загрязнения окружающей среды.

Генерирующие мощности, составляющие основу электроэнергетики в развитых странах, соответствуют потребностям сегодняшнего дня. Но если заглянуть на 50 лет вперед, когда электроэнергетика должна будет обеспечить нормальные условия существования для миллиардов жителей из развивающихся стран, то следует признать, что сегодняшние установки недостаточ- но эффективны, слишком дороги и слишком загрязняют окружающую среду для мира 2050 г. Постепенные усовершенствования, конечно, могут несколько улуч- шить положение. Однако, учитывая резкое увеличение населения в странах, нуждающихся в быстром экономическом росте, таких усовершенствований может оказаться слишком мало и реализованы они будут слишком поздно. Если мы должны решить эту пробле-

1 По материалам доклада сотрудника EPRI Yeager K. E.

му, нам необходимо ускорить темп технологических инноваций.

Повышение эффективности электрификации. Одна из главных целей XXI века заключается в подъеме экономики развивающихся стран наиболее эффективным способом – с помощью электрификации. Это предполагает глобальную электрификацию, чтобы к 2050 г. на душу населения в развивающихся странах приходилось не менее 1000 кВт ч электроэнергии и чтобы цены на нее были приемлемыми, а вредное воздействие на окружающую среду не вышло за допустимые границы.

Существует много способов построения мировой системы, которая выполнит задачу большой социальной важности – ускорение экономического развития и повышение жизненного уровня путем электрификации. Общие предварительные требования к энергети- ческой системе 2050 г. приведены далее.

* Включают затраты на снижение содержания углерода в газообразных выбросах, но не включают затраты на долгосрочное захоронение углерода.

Задача увеличить к 2050 г. установленную электрогенерирующую мощность до 10 000 ГВт наиболее успешно решается при наличии достаточного набора технологий производства электроэнергии. Предварительное требование заключается в том, чтобы половина всех генерирующих мощностей не загрязняла атмосферу выбросами CO2, т.е., чтобы это были АЭС (3000 ГВт) и установки, использующие возобновляемые источники энергии (1200 ГВт). Остальные мощности должны быть высокоэффективными газовыми и угольными электростанциями. Хотя это и весьма зна- чительная общая мощность, однако, если ее перевести в лошадиные силы, то она окажется меньше мощности всех производимых за 5 лет автомобилей, а средств на нее в год будет расходоваться меньше, чем в мире тратится, например, на сигареты.

Коэффициент полезного действия производства электроэнергии при сжигании ископаемого топлива должен быть больше 70% (и более 85% при комбинированном производстве на ТЭЦ тепловой и электриче- ской энергии или при комбинированном производстве на одном предприятии электроэнергии и химических продуктов). И, наконец, при производстве электроэнергии на базе ископаемого топлива следует объединять методы улавливания диоксида углерода из энергоустановок и методы связывания его в природных накопителях, что позволит удалить из дымовых газов половину всего количества CO2. При этом полная стоимость электроэнергии не должна превышать 5 центов за 1 кВт ч.

Такая стоимость в 2050 г. может быть достигнута при производстве электроэнергии на АЭС и на большинстве установок, использующих возобновляемые источники энергии. Однако достичь столь низкой стоимости 1 кВт ч в 2050 г. при производстве электроэнергии на базе ископаемого топлива с удалением углерода весьма проблематично. Тем не менее, если КПД энергоустановок на ископаемом топливе можно будет поднять до 70% и более, затраты на удаление диоксида углерода могут снизиться менее чем до 2 центов/(кВт ч). При таком уровне затрат стоимость электроэнергии, произведенной на энергоблоках, сжигающих ископаемое топливо, может оказаться несколько выше, чем на АЭС и на возобновляемых источниках энергии, однако эта разница в стоимости, по-видимому, будет меньше, чем погрешности в анализе.

Требования к энергетической системе 2050 г. вклю- чают в себя также создание мобильных энергоустановок и распределенного производства электроэнергии. Истинные потребности рынка мобильных установок и агрегатов для распределенного производства электроэнергии будут зависеть от экономических и социальных факторов, которые трудно поддаются оценке.

Снижение выбросов диоксида углерода. Рамоч- ная конвенция Организации Объединенных Наций по изменению климата, вступившая в силу 21 марта 1994 г., рекомендует, чтобы глобальная средняя концентрация CO2 в атмосфере к 2100 г. не более чем в 2 раза превышала тот уровень, который существовал “на заре века индустриализации”. Успешная электрификация с использованием самых разных источников энергии является единственным практическим способом выполнить эту рекомендацию в мире, население которого будет насчитывать к тому времени по меньшей мере 9 млрд. чел., при условии, что каждый год в тече- ние ближайших 50 лет 100 млн. жителей планеты, ранее не имевших доступа к электроэнергии, получат таковой хотя бы на элементарном уровне. Для выполнения этой задачи потребуется в 3 раза увеличить темп электрификации, который был достигнут за последние 25 лет.

Переход от глобальной системы, в которой более 85% используемой энергии было сопряжено с выбросами диоксида углерода, к такой системе, где в конеч- ном итоге в атмосферу выбрасывается очень мало CO2, требует коренных изменений в технологии и крупных капитальных вложений в техперевооружение или замену основного оборудования. Ускорению декарбонизации глобальной энергосистемы способствует развитие новых технологий. Как показано на ðèñ. 1, декарбонизация в течение последнего столетия шла со скоростью около 0,3% в год. Однако, учитывая озабоченность общества парниковым эффектом, желательно увеличить ее темп до 0,5 – 1% в год. С помощью совершенствования сегодняшних технологий это невозможно. Необходимо создание набора перспективных технологий производства электроэнергии на базе ископаемого и ядерного топлива, а также возобновляемых источников энергии.

Решительное продвижение технологии вперед требует:

инноваций, направленных на повышение экономичности и экологических характеристик технологий выработки электроэнергии с использованием ископаемого топлива, включая, например, ГТУ с высоким КПД, парогазовые установки с внутрицикловой газификацией и усовершенствованные топливные элементы;

разработки малозатратных способов предотвращения выбросов CO2 для повышения экологичности использования ископаемого топлива;

“прорывного” снижения стоимости распределенных энергоустановок (ЭУ) и ЭУ таких, например, как фотоэлектрические ЭУ, использующих возобновляемые источники энергии, которые могли бы удовлетворить 15 – 25% потребностей развивающихся стран в электроэнергии;

“прорывов” в ядерном топливном цикле, которые обеспечат широкое использование “безуглеродной”

Ñ,ò/òí.ý 1,1

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

# & %& UV

F % 8 ! & "

, ,% , & ? 639 3 . ( %4 444 G

технологии производства электроэнергии, способной удовлетворить мировые потребности в ХХI веке.

Экологически чистые технологии использования угля. Повышение эффективности чистых угольных технологий (ЧУТ) особенно важно для Китая, Индии и других богатых углем развивающихся стран. Для широкомасштабного внедрения ЧУТ рынки этих стран будут все в большей и большей степени требовать повышения КПД и снижения вредных выбросов при одновременном уменьшении капитальных затрат и эксплуатационных расходов.

Чистые угольные технологии такие, как ПГУ с внутрицикловой газификацией угля (IGCC), могут обеспечить КПД до 50% и более (по высшей теплоте сгорания), при этом стоимость электроэнергии (ЭЭ) не будет отличаться от стоимости ЭЭ, произведенной на эквивалентной пылеугольной ТЭС. Преимущество ЧУТ заключается в том, что их более высокий КПД вполне компенсирует более высокие капитальные затраты. Можно ожидать, что успешное развитие ЧУТ повысит их конкурентоспособность по отношению к пылеугольным ТЭС и ПГУ на природном газе в период с 2010 по 2020 г.

Тем не менее, рынки развивающихся стран, вероятно, потребуют, кроме снижения стоимости ЭЭ, еще и снижения капитальных затрат. Имеется несколько возможных направлений для “прорывов”, которые помогли бы выполнить это требование рынка. Одно из таких направлений – это попытка снизить стоимость и улуч- шить характеристики высокотемпературных материалов, необходимых для перспективных ЧУТ. В качестве альтернативного варианта можно будет проектировать установки для газификации самых дешевых углей с некоторым компромиссом в эффективности и экологиче- ской характеристике, но с возможностью модернизации установки для улучшения экологической характеристики, когда позволит будущее развитие технологий. И, наконец, увеличение КПД (до 60 – 70% или больше при использовании, например, газификации, интегрированной с топливными элементами) может сделать эти технологии столь привлекательными с точки зрения экологии, что рынок смирился бы с несколько завышенной первоначальной стоимостью.

Другой областью, требующей пристального внимания, является загрязнение атмосферы выбросами CO2.

В настоящее время промышленность использует дорогую и малоэффективную технологию улавливания диоксида углерода, главным образом для извлечения нефти и производства сверхчистого пищевого CO2. Для того, чтобы разработать низкозатратные технологии, которые можно будет использовать при существующих температуре и давлении и продемонстрировать методы долгосрочного захоронения, необходимо провести серьезные научно-исследовательские работы. Исследования потребуются также для оценки возможности удаления CO2 из атмосферы биологическим путем.

Расширение использования возобновляемых энергоресурсов. Как традиционные, так и новые возобновляемые источники энергии могут занять важное место в структуре потребления первичных ресурсов мировой энергетической системы. Традиционные возобновляемые энергоресурсы (гидроресурсы и биомасса), как ожидается, сохранят свой теперешний вклад (8%) в мировое энергоснабжение, по крайней мере, до 2020 г. В настоящее время по всему миру работают гидроэлектростанции общей мощностью 660 ГВт.

Тем не менее, реальная потребность в существенном замещении ископаемого топлива будет все больше способствовать применению новых видов возобновляемых ресурсов. Проблема состоит в том, чтобы найти практические пути для включения в работу этих легкодоступных, но очень рассредоточенных в пространстве и непостоянных во времени источников энергии. И все же, по мнению многих специалистов, в недалеком будущем преобладать будут энергоустановки, использующие ветровую, солнечную и геотермальную энергию. Стоимость кадмиевой пленки для непосредственного преобразования солнечной энергии в электричество, по оценкам, упадет с 6 дол/Вт в настоящее время до менее чем 0,90 дол/Вт в 2030 г. Такая оценка сделана исходя из развития современной технологии. Однако, учитывая быстрое продвижение науки вперед, в следующие 20 лет возможно появление новых технологий с еще лучшими характеристиками, что приведет к увели- чению КПД, снижению затрат и широкому использованию этих технологий.

Без таких “прорывов” установки, использующие новые возобновляемые источники энергии, как ожидают, будут в ближайшие 30 лет поставлять не более 2% мировой ЭЭ. Для того, чтобы эту цифру увеличить, потребуются не только “прорывы” в преобразовании первичной энергии в ЭЭ, но и рассчитанные на длительное использование надежные, не требующие ремонта установки для аккумулирования ЭЭ, которые можно будет объединять с установками, использующими возобновляемые источники энергии. Так, например, разработки электрохимических ячеек, использующих в ка- честве топлива водород, аккумуляторных батарей, маховиковых аккумуляторов и других аккумуляторов энергии, возможно, позволят расширить использование непостоянных во времени возобновляемых ресурсов.

Возрастание роли и значения атомной энергетики. Несмотря на то, что по некоторым сообщениям отдельные европейские страны планируют свернуть свои программы по развитию атомной энергетики, все же

есть веские основания для оптимизма в отношении долгосрочных перспектив для АЭС.

На последних торговых сделках по блокам АЭС в США покупателям были предложены цены в диапазоне от 400 до 500 дол. за 1 кВт установленной мощности, что приблизительно сравнимо со стоимостью новых ГТУ с комбинированным циклом. Кроме того, тех- нико-экономические показатели АЭС за последние несколько лет резко улучшились.

Несомненно, атомная энергетика может внести зна- чительный вклад в надежность энергоснабжения и в снижение выбросов CO2. Для того, чтобы ядерная технология стала важной составляющей будущего набора технологий выработки ЭЭ, необходимо и дальше ее совершенствовать в направлении повышения коэффициента использования топлива и термического КПД АЭС, и при этом снизить капитальные затраты.

Чтобы улучшить характеристики будущих ядерных технологий, нужны программы развития в следующих областях:

топливные циклы с высоким коэффициентом использования ядерного топлива для повышения экономич- ности производства ЭЭ, увеличения запасов ядерного топлива, значительного снижения остаточной токсич- ности отходов и уменьшения обеспокоенности общественности распространением ядерных технологий;

высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы для повышения КПД и получения не только электроэнергии, но и технологического тепла. Модульный реактор с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), подобный предлагаемому ESKOM для ЮАР и совсем недавно – Exelon Corporation, может позволить довести модульную конструкцию до 100 МВт;

превращение ядерных отходов в нерадиоактивные или короткоживущие изотопы;

безопасное оборудование для обращения с отработавшим топливом и долгосрочного захоронения отходов;

продолжающиеся разработки в области термоядерной энергии, которые могли бы привести к “прорывам” в этой области в ближайшем десятилетии;

реализация принципа “управления риском” при проектировании и эксплуатации АЭС.

Даже при условии выполнения этих усовершенствований ядерная технология останется “неустойчи- вой”. Сколько-нибудь незначительного события, связанного с безопасностью АЭС, произошедшего в любой точке земного шара, окажется достаточным, чтобы свести на нет в общественном мнении репутацию, созданную длительной успешной работой атомных электростанций. Вот почему для будущего атомной энергетики так важно, чтобы эксплуатирующие организации всего мира поддерживали и укрепляли активное сотрудничество по проблемам усовершенствования ядерных технологий и практическому их применению. Для того, чтобы получить общественную поддержку использования АЭС, очень важно, чтобы в ближайшие 10 лет состоялся диалог между отраслью и общественностью по проблемам атомной энергетики в контексте устойчивого энергоснабжения в будущем.

Распределенное производство электроэнергии. Вдобавок к необходимости сооружать крупные новые электрогенерирующие мощности развивающиеся стра-

ны сталкиваются с проблемой расширения систем передачи и распределения электроэнергии. Чтобы решить эту проблему без крупных инвестиций в инфраструктуру энергоснабжения, развивающиеся страны могут использовать преимущества, которые обеспечи- вает размещение электрогенерирующих установок ближе к месту потребления ЭЭ. Распределенное производство ЭЭ дает возможность снизить потребность в строительстве линий передачи и распределения ЭЭ и при этом позволяет использовать самые разные технологии для распределенных источников (РИ). Эта “гибкость” может стать ключевым элементом в планах расширения производства ЭЭ. Так, например, РИ с использованием дизельных двигателей могут обеспечивать ближнесрочные потребности, в то же время оставляя выбор для модернизации системы за счет использования газовых микротурбин, газовых или водородных топливных элементов, или фотоэлектрических и ветровых установок, по мере того, как эти технологии станут более конкурентоспособными по стоимости.

Сосредоточив усилия на малых распределенных электрогенерирующих установках, можно обеспечить их низкую стоимость и повысить экономическую эффективность при сроке службы, существенно меньшем 30 лет (обычный срок службы современных крупных электростанций централизованного энергоснабжения). В результате при распределенном производстве электроэнергии цены на нее можно будет держать на уровне, намного более низком, чем при производстве электроэнергии на электростанциях централизованного энергоснабжения. Как показано на ðèñ. 2, стоимость 1 кВт РИ в ближайшие 10 лет будет снижаться, что увеличи- вает целесообразность их использования как в качестве автономных источников электроэнергии, так и при объединении с другими источниками.

Расширение исследований и разработок в области энергетики. Учитывая объем будущих энергетиче- ских потребностей, а также технологические проблемы, которые необходимо решить для удовлетворения этих потребностей, нужно срочно увеличить финансирование научных исследований и разработок (НИР) в этой области, по крайней мере, на 15 млрд. дол/год (во всем мире), распределив эту сумму между общественным и частным секторами. Это увеличение примерно в 2 раза превышает уровень сегодняшних расходов на НИР в области энергетики.

Принимая во внимание демографические и экологические проблемы, неизбежные в ближайшие 50 лет, эти ресурсы следует направлять на расширение знаний о влиянии энергетики на окружающую среду, на техни- ческие “прорывы” в области источников электроэнергии, не связанных с выделением диоксида углерода, на разработку оборудования для мобильных генерирующих систем, а также на более разумное использование энергии путем точного цифрового регулирования и миниатюризации процессов.

Можно утверждать, что в наше время современный мир делится по технологическим возможностям на страны, разрабатывающие новые технологии, на страны, способные адаптировать эти технологии, и на страны, не имеющие доступа к новым технологиям. Это деление примерно совпадает с делением по доходам и политическому устройству.

Мощность, кВт

# & 3& D ( % A ;2

!%WWW 5 344Q &"

1 – топливные элементы; 2 – фотоэлектрические ЭУ; 3 – топливные элементы с протонообменными мембранами; 4 – микротурбины; 5 – топливные элементы; 6 – двигатели внутреннего сгорания; 7 – промышленные газовые турбины; 8 – авиационные газовые турбины; 9 – пылеугольные блоки; 10 – парогазовые блоки

Без принятия согласованных мер по ликвидации этого растущего разрыва между “имущими и неимущими” странами глобальная экономика, экология и безопасность будут поставлены под угрозу. Развивающиеся страны ищут возможности значительно ускорить использование новых технологий производства электроэнергии, “перепрыгнув” через некоторые из “традиционных ступеней на лестнице энерготехнологий”. Программы НИР облегчают это “перепрыгивание” двумя путями.

Первый состоит в проведении таких исследований, которые особое внимание могут уделять технологиям, оптимально подходящим для использования их в развивающихся странах. Сюда входит проектирование энергетических систем, которые будут по средствам потребителю с тем прожиточным минимумом, который существует на сегодня. Второй путь заключается в разработке мер по распространению технологий с использованием принципа “обучение на деле”, чтобы помочь местным специалистам хорошо разобраться в технологических возможностях и наиболее результативно использовать технологии в сложившихся социальных и экономических условиях.

По опыту EPRI взаимодействие государственного и частного секторов является самым эффективным способом гарантировать, что необходимые ресурсы будут направлены на программы развития таких технологий, которые смогут в корне изменить образ жизни и деятельности людей. Это означает, что государство обязательно должно стать партнером в финансировании науч- но-исследовательской деятельности, в определении ее направлений, а также в руководстве ею наряду с “просвещенной” правительственной политикой и стимулированием тех, кто использует перспективные технологии.

Недостаток реальных стимулов для инвестирования в научные разработки энергетикой и ее поставщиками – с учетом существующей необходимости в таких

инвестициях – вызывает большую тревогу. Мировая энергетика в настоящее время инвестирует в НИР намного меньше 1% своих доходов, при этом наблюдается тенденция к дальнейшему снижению. Для сравнения, в среднем, промышленность США инвестирует в НИР около 6%. Энергетика была и остается “на нижней площадке лестницы” инвестиций в НИР, что может привести к отсутствию уверенности в надежном и безопасном будущем, особенно с учетом той все более значительной роли, которую энергетика должна играть в решении экономических и экологических проблем в ХХI веке.

Âпоследние 30 лет федеральное финансирование НИР в США также находится на самом низком уровне по отношению к валовому внутреннему продукту (ВВП). По мнению специалистов причины заметного снижения правительственной поддержки научных исследований в области энергетики заключаются в доступности дешевой энергии и конкуренции тех, кто добивается такой поддержки. В то же время в государственных и местных программах финансирования НИР предпочтение обычно отдается потребностям, характерным для их местного уровня, а не широкому сотрудничеству по проблемам стратегического национального и международного значения.

Âусловиях постоянно сокращающихся бюджетов частного сектора и перенацеливания средств на скорейшие результаты только сотрудничество позволяет компаниям с экономией для себя заниматься интересующими их исследованиями и разработками, которые в противном случае были бы закрыты. Такое сотрудни- чество дает возможность работать на более отдаленную перспективу. В то же время оно позволяет более эффективно использовать государственные средства. Таким образом, “выравнивание” поддержки государственного и частного секторов позволяет все более скудные средства, выделяемые на НИР, направлять на решение важных для всех проблем. Ключ к этому – ориентация на стратегические потребности и приоритеты.

Вывод

Перед мировой энергетикой стоят серьезнейшие проблемы, связанные с потребностями в снабжении электроэнергией быстроразвивающейся мировой экономики. Новые ориентиры в области технологий должны помочь удовлетворить эти потребности в течение долгих лет путем повышения эффективности, снижения затрат и уменьшения вредного воздействия на окружающую среду. Однако еще более важное значе- ние имеет потребность в мировом концептуальном соглашении, позволяющем привлечь капитал туда, где он особенно необходим и где есть благоприятная возможность для его эффективного вложения.

Экономическая и экологическая устойчивость в ХХI веке потребует, кроме того, расширенного и укрепляющегося в сознании людей представления о мировом партнерстве, взаимозависимости и взаимной ответственности. Понадобятся десятилетия терпеливого, непрекращающегося сотрудничества государственного и частного секторов.

1 февраля 2003 г. исполнилось 70 лет исполнительному директору Всероссийского научно-исследователь- ского теплотехнического института (ВТИ), члену-корреспонденту РАН, доктору технических наук, профессору Гургену Гургеновичу Ольховскому.

Трудовой путь он начал в марте 1956 г., после окончания с отличием Московского энергетического института, младшим научным сотрудником в турбинном отделении ВТИ. С этого времени жизнь Г. Г. Ольховского в науке неразрывно связана с разработкой и применением в энергетике газотурбинных и парогазовых установок (ГТУ и ПГУ) и технологий, которые являются не только сегодняшним днем, но и будущим отечественной энергетической промышленности.

Уже с самого начала работы в ВТИ Гурген Гургенович проявил ка- чества настоящего ученого: самоотверженная преданность научной идее, широкий размах мысли, безукоризненная тщательность и скрупулезность в проведении экспериментов.

Более чем за 45 лет работы в институте под руководством и при непосредственном участии Г. Г. Ольховского были разработаны методики и специальные измерительные устройства, используемые при проведении исследований и наладке на ТЭС головных образцов большинства отечественных энергетических ГТУ и ПГУ. Эти исследования значи- тельно обогатили теорию стационарных ГТУ и ПГУ, позволили уточнить методы их расчета и конструирования, определить целесообразные для энергетики технические решения и сферы их применения, создали основу для дальнейшего совершенствования технологии и техники. Вытекающие из них требования и рекомендации реализованы на ТЭС, в правилах технической эксплуатации и в гостах на стационарные ГТУ и ПГУ.

Велик вклад Гургена Гургенови- ча и в разработку технических предложений по использованию различ- ного типа ГТУ и ПГУ на конкретных КЭС и ТЭЦ, в проведение испытаний ГТЭ на ГРЭС им. Классона и новых типов ГТУ на Якутской ГРЭС (ГТЭ45), на ТЭЦ в г. Электростали, в организацию и проведение пусконаладоч- ных работ и освоение головной ПГУ-