Курс+лекций+по+уст.+развитию+Миркин

Лекция 4

Энергетическая проблема

Обеспечение энергией играет ключевую роль в сценариях бу дущего, хотя решение этой проблемы (особенно для обозримого будущего в 100–200 лет) не столь сложное, как регулирование роста народонаселения.

Вся история человечества — это история повышения потреб ления энергии, причем, вплоть до ХХ в. основными источниками энергии были древесина и органические остатки (а на заре разви тия человечества единственным источником была энергия мышц первобытного человека). В ХХ в. основными источниками энер гии стали ископаемые энергоносители — уголь, нефть, газ, при чем на протяжении столетия снижалась роль угля и повышалась роль нефти и газа, к которым во второй половине столетия приба вилась атомная энергетика.

В этот же период стала возрастать роль гидроэнергетики и были построены крупнейшие гидроэлектростанции, а в послед ние десятилетия проявился интерес к развитию энергетики на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — солнца, ветра, малых водотоков, земных глубин, приливов и т. д. Всплеск интереса к ВИЭ во многом был связан с нефтяным кри зисом 1970 х годов, когда резко подскочили цены на нефть, и все страны должны были искать пути замены нефти другими энерго носителями. Впрочем, большинство «нетрадиционных» источ ников как раз традиционно: биологический метод использова ния солнечной энергии человек стал применять сразу же, как только в его руках появился огонь. Первые ветряные мельницы появились в Персии 1000 лет назад, получили распространение в Китае и по всему побережью Средиземного моря, а также в Се верной Европе.

Ниже будут рассмотрены основные прогнозные параметры энергетики будущего и особенно роль ее наиболее перспективных вариантов — с использованием ВИЭ и атомной энергии, а также перспективы энергосбережения. Рассмотрению этих вопросов мы

89

предпошлем характеристику энергетики конца ХХ в. как ее стар тового состояния на момент начала построения общества УР.

4.1. Характеристика современной энергетики

Структура современной энергетики. Энергетический бюджет мира на сегодняшний день «полиэнергетический», так как для получения энергии используются разные источники (табл. 18).

Таблица 18

Вклад различных энергетических ресурсов в мировую энергетику

Следует подчеркнуть, что за последнее десятилетие ХХ в. па раметры энергетики изменились: приросты производства энер гии из нефти, газа и на ГЭС составили менее 2%, потребление угля снизилось на 1%, а прирост производства атомной энергии соста вил всего 0,8% (что связано с «чернобыльским синдромом»). В то же время производство энергии с использованием возобновляе мых источников энергии существенно возросло: солнечной — на 20%, ветровой — на 25%, геотермальной — на 4% (Браун, 2003).

Разумеется, следует учитывать, что эти показатели относи тельные: при учете малого вклада нетрадиционной энергетики в общий энергетический бюджет абсолютные приросты производ ства энергии на основе традиционных энергоносителей имеют не соизмеримо большие величины. Однако очевидно, что интерес к использованию ВИЭ повышается во всем мире.

Большую роль в мире продолжает играть гидроэнергетика, которая использует неисчерпаемый ресурс — энергию движения воды. В развитии гидроэнергетики доминируют Канада, США и Россия, однако доля гидроэнергии в развивающихся странах выше — 31% от выработанной электроэнергии. Самые большие ГЭС построены в Венесуэле (плотина Гури, 10 млн кВт, что соот ветствует 10 средним реакторам АЭС), в Бразилии на реке Парана (ГЭС «Итайпу», 12,6 млн кВт). Асуанская ГЭС, построенная при техническом содействии СССР, обеспечивает более 40% всей по

90

требности Египта в энергии, она сыграла важную роль в улучше нии снабжения водой поливного земледелия, дающего стабиль ные урожаи, и положила конец опустошительным паводкам. В Китае начато строительство ГЭС мощностью 13 млн кВт.

Крупные ГЭС составляют основу гидроэнергетики РФ, что от личает ее от США: несмотря на то что гидроэнергетика США про изводит в 1,5 раза больше энергии, средняя мощность американ ских ГЭС в 4,5 раза ниже. В развитых странах Запада резервы расширения гидроэнергетики ничтожны (использовано 98% по тенциала гидроресурсов). В Северной Америке мощность ГЭС также почти достигла предела (83% потенциала).

ГЭС дают энергию более дешевую, чем тепловые станции. Рен табельность ГЭС в России значительно выше, чем ТЭС и АЭС, а се бестоимость электроэнергии в 6 раз ниже, чем на ТЭС. По этой причине Норвегия, располагающая большими ресурсами нефти и газа в Северном море, базирует свою электроэнергетику исключи тельно на энергии горных рек (более 90% всей энергии).

Экологическая опасность крупных ГЭС. Строительство рав нинных ГЭС отчуждает из использования огромные массивы пло дородных земель (как случилось при строительстве каскада ГЭС на Волге) или лесов. В общей сложности под водохранилищами России находится 8 млн га земель, что в 4 раза больше площади Израиля. В результате строительства волжского каскада было за топлено 264,5 тыс. га пашни, 732,6 тыс. га сенокосов и пастбищ, 845,2 тыс. га пойменных лесов и кустарников. Пришлось пе ренести 2513 населенных пунктов с населением 643,3 тыс. чело век. Рыбинская ГЭС имеет мощность, составляющую менее трети той, что дает ядерный реактор, но площадь ее водохранилища со ставляет более 4,5 тыс. км2!

Гидроэлектростанции в Сибири строили без расчистки леса на дне будущих рукотворных морей. Так, при строительстве Брат ской ГЭС было затоплено 40 млн м3 прекрасной древесины хвойных пород. Если бы эту древесину использовали, то стоимость продук тов ее переработки смогла бы покрыть все расходы на строительст во ГЭС. Примерно 20 млн м3 древесины осталось на дне водохрани лища Усть Илимской ГЭС, без расчистки дна были заполнены и водохранилища Вилюйской и Саяно Шушенской ГЭС. Затопление леса не только лишает страну ценной древесины, но и ухудшает ка чество воды в водохранилищах и препятствует судоходству.

Строительство крупных водохранилищ полностью нарушает жизнь экосистем рек, в первую очередь препятствует нормальной миграции рыб. В результате строительства волжского каскада

91

площадь нерестилищ осетровых сократилась в 10 раз — с 4000 до 400 га. При этом естественные нерестилища белуги, белорыбицы и сельди уничтожены полностью, русского осетра — на 80%, сев рюги — на 60%. По этой причине резко упали уловы осетровых:

в1984 г. вылавливалось 24 тыс. т (90% мировой добычи), в 1994 г. — 4,5 тыс. т (без учета браконьерского лова, который со ставляет примерно столько же).

Вто же время в водохранилищах массово размножаются виды рыб, которые не играли большой роли в естественной ихтиофауне рек (лещ, плотва, судак, щука и др.). В итоге общие уловы растут. В волжских водохранилищах сегодня вылавливают 30 тыс. т рыбы, что примерно в 10 раз больше уловов до строительства каскада.

Кроме того, на дне водоемов накапливаются тысячи тонн (как правило, ядовитых за счет промышленных и бытовых стоков в реки) осадков. Это практически навсегда выводит территорию из дальнейшего использования даже в случае, если водохранилище будет спущено.

ГЭС на горных реках удобны тем, что не связаны с затоплением больших территорий, но они могут быть опасны из за довольно вы сокой вероятности катастроф ввиду сейсмической нестабильности этих районов. Землетрясения приводят к огромным жертвам. Так,

вИталии в Вайоне в 1993 г. при прорыве плотины погибли 2118 че ловек, а в Индии от прорыва плотины Гуджерат — 16 тыс. человек.

По современным представлениям, у крупных ГЭС нет пер спектив. Их значительно больше у малых ГЭС, которые вклю чены в нетрадиционную энергетику (см. 4.3).

Загрязнение окружающей среды при использовании углеро? дистых энергоносителей. Эти энергоносители не только исчерпае мые, но и «экологически грязные». Их использование загрязняет окружающую среду, причем загрязнение нарастает по ряду: газ — нефть — уголь (табл. 19).

Таблица 19

Выбросы в атмосферу отходов электростанций мощностью 1000 МВт, работающих на разных видах ископаемого топлива

92

4.2. Прогноз энергетики будущего

Развитие цивилизации сопровождалось ростом потребности в энергии. Сегодня в мире на одного землянина ежесуточно произ водится 2 кВт энергии (в США — 10 кВт), предел роста энергопот ребления оценивается в 20 кВт на человека, общее энергопотреб ление 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 не обходимо примерно в 10 раз сократить загрязнение, которое со провождает 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 развивающи мися странами, видимо, произойдет к 2050 г. на уровне, который превысит современный не более чем в 4–5 раз, т. е. составит 10 кВт на одного человека (Клименко и др., 1997).

Разумеется, в случае, если бы удалось реализовать консерва ционистский сценарий УР, количество энергии можно было бы сократить минимум в 10 раз, а при широком развитии энергосбе режения (см. 4.5) — в 30 раз, что практически сняло бы все эко логические проблемы развития энергетики. Тем не менее, как уже отмечалось, реализация этого сценария маловероятна, по этой причине при построении общества УР общее потребление энергии в мире будет возрастать, причем в первую очередь в стра нах 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 разви вающихся). Ожидается, что к 2020 г. затраты энергии в транс портном секторе увеличатся на 75%. Подушное потребление энергии уже близко к стабилизации (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. 20). В США рост производства энергии уже резко замед лился, 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.).

93

Таблица 20

Возможный прогноз роста потребностей в энергии в мире и ее душевого потребления

Прогноз структуры. На прогноз структуры энергетики влияет исчерпаемость ресурсов углеродистых энергоносителей. В основе мировой энергетики лежат ископаемые энергоносители, в первую очередь нефть. Ресурсы этих энергоносителей ограничены. По раз ным данным, угля хватит на 250–400 лет, природного газа — на 60–100 лет, нефти — на 40–60 лет. В России запасы нефти могут иссякнуть к 2020 г. (Крылов, 1999). Если в 1980 г. Россия добывала 600 млн т нефти, то в 1996 г. была добыта только половина этого ко личества. Ранее открытые перспективные месторождения быстро истощаются, к примеру, на месторождении Саматлор в 1990 г. было добыто 146 млн т нефти, а в 1997 г. — уже только 15 млн т. «Нефтяная столица Сибири» г. Нижневартовск обречен на выми рание. Очевидно, преувеличены оценки запаса нефти на Каспии. При этом, поскольку наиболее доступные месторождения уже ис черпаны, начата добыча нефти из более глубоких пластов и на мор ских шельфах, что значительно удорожает ее стоимость.

Прогноз структуры энергетики неоднозначен. По центрист скому сценарию прогнозируется сохранение «полиэнергетичес кой» структуры с равным вкладом тепловой, атомной и нетради ционной (на основе ВИЭ) энергетики. При этом будет снижаться доля энергии, получаемой за счет нефти, и увеличиваться роль ТЭЦ на угле. Однако это будет возможно только в том случае, если

вугольной энергетике произойдет научно техническая револю ция и будут разработаны экономичные способы подземной гази фикации угля, что резко снизит влияние на окружающую среду этого ныне самого экологически грязного топлива. Научные раз работки в этом направлении проводятся, особенно интенсивно —

вСША. Они показывают, что повышение экологической чистоты угольной энергетики повысит стоимость получаемой энергии

94

примерно в 3 раза. Созданы эффективные фильтры, улавливаю щие газообразные выбросы ТЭЦ, работающих на угле, но они так же дороги и, кроме того, не решают проблемы угольной золы, которая образуется на ТЭЦ в огромном количестве, токсична и радиоактивна.

Л. Браун (2003) считает, что в течение ближайших 20 лет будет возрастать роль природного газа, который он рассматривает в качестве топлива «переходного периода». Во второй половине ХХ в. использование газа увеличилось в 12 раз. Он приводит дан ные о темпах роста использования энергии из разных источников. Так, в 1990–2000 гг. ежегодный темп роста ветроэнергетики со ставлял 25%, гелиоэнергетики на основе солнечных элементов — 20%, геотермальной энергетики — 4%, гидроэнергетики и тепло энергетики на основе природного газа — на 2%, «нефтяной» и атомной энергетики — соответственно на 1% и 0,8%, производст во энергии из угля снижалось на 1%.

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 производст ва бензина. Возможно, получат распространение экономичные те пловые элементы, которые преобразуют тепло в электричество так же, как фотоэлементы. Для ТЭЦ на мазуте также необходимы на дежные фильтры, защищающие атмосферу от загрязнения.

Общий прогноз объема и структуры потребления первичных энергоресурсов в мире на 2020 г. приведен в таблице 21.

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, так как его эксперты не уверены в том, что в ближайшие десяти летия удастся разработать экономически и экологически эффек тивные способы получения энергии из угля.

Общая позиция МИРЭС по вопросу о будущем энергетики была сформулирована в следующих шести постулатах:

1.Органическое топливо (нефть, газ, уголь) будут доминиро вать в топливном балансе в ближайшие 30 лет.

2.Умеренные темпы роста производства атомной энергии тре буют немедленного решения вопроса повышения уровня безопас ности АЭС и захоронения отходов.

3.Необходима техническая и экономическая разработка всех аспектов развития нетрадиционной энергетики на основе ВИЭ.

95

4.Необходимо исследовать связь роста потребления энергии с демографическими изменениями в мире.

5.Необходимы государственные энергосберегающие про граммы для снижения энергоемкости ВВП.

6.МИРЭС должен разработать программу «Энергетические горизонты в мире с населением 9 млрд человек» (прогнозная чис ленность населения к 2100 г.).

Таблица 21

Оценка объемов потребления первичных энергоресурсов в мире (2020 г. — прогноз) по сравнению с 1990 г.

Примечания

1.Тут — тонны условного топлива, единица, которую используют для сопоставления тепловой ценности различных видов энергоноси телей; 1 кг условного топлива равен примерно 7000 ккал/кг (что со ответствует 1 кг антрацита).

2.К традиционным ВИЭ относят дрова и отходы лесного и сельского хозяйства.

3.К новым ВИЭ относят солнечную, ветровую, геотермальную энер гию, океанскую энергию и энергию малых водотоков.

4.3.Перспективы нетрадиционной энергетики

Как отмечалось, эксперты МИРЭС возлагают большие надеж ды 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 сообщест ва (см. 11.3.1). В Европе уже сейчас из нетрадиционных источни ков получают до 16% энергии.

Рассмотрим перспективы различных вариантов нетрадицион ной энергетики.

96

4.3.1. Гелиоэнергетика: физический вариант

При физическом варианте энергия аккумулируется физичес кими устройствами — солнечными коллекторами, солнечными элементами на полупроводниках или концентрируется системой зеркал. Исследования по гелиоэнергетике частично финансиру ются Всемирным банком по программе «Солнечная инициатива».

Разработано несколько вариантов устройств для использова ния энергии Солнца.

Солнечные коллекторы. В них солнечная энергия непосредст венно преобразуется в тепловую. 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 водонагреватель ные установки.

Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП, фотогальвани ческие элементы). Это один из самых новых вариантов гелиоэнер гетики, открытый в 1952 г. Вначале энергия ФЭП была очень до рогой и использовалась только для обеспечения энергией спутников и в микрокалькуляторах. Однако в дальнейшем стои мость энергии, получаемой этим способом, стала снижаться, и ФЭП начали широко применяться как источники энергии для от даленных населенных пунктов. В Японии даже создан фотогаль ванический кровельный материал. В США, Германии и Швейца рии фотогальванические материалы встраиваются в фасады новых офисных зданий.

За последнее десятилетие объем продаж ФЭП в мире увели чился более чем в 6 раз — с 46 МВт (1990 г.) до 288 МВт (2000 г.). В «большую тройку» производителей солнечных элементов вхо дят Япония, США и Европейский Союз. Год от года снижается стоимость солнечных элементов: если в 1970 х гг. она составляла 70 долл. за 1 Вт производственной мощности, то сегодня — менее 3,5 долл. за 1 Вт. Для изготовления ФЭП необходим химически чистый кремний. Дороговизна его производства является основным тормозом широкого внедрения ФЭП.

Л. Браун (2003) воспринимает эти данные с энтузиазмом, однако следует учитывать, что все равно «фотогальваническое

97

электричество» играет в энергобюджете мира крайне малую роль (напомним, что один блок АЭС дает 1000 МВт).

Солнечные электростанции (СЭС). В этих устройствах энер гия солнца концентрируется системой зеркал и нагревает масло в трубах. Она в 5–7 раз дешевле, чем энергия ФЭП. КПД СЭС до вольно низкий и составляет около 15%.

В США наиболее популярны гибридные солнечно топливные электростанции, суммарная мощность которых равна 400 МВт. Их средний КПД выше (достигает 23%), а стоимость энергии ниже, так как 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 излуче ния, можно было бы за счет СЭС полностью обеспечить энергией южные районы страны (Емельянов, 2001).

Ограничения физической гелиоэнергетики. Недостатком СЭС являются лишь очень большие затраты металла на их сооруже ние: 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 зани мают 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 треть дешевле, чем энергия, вырабатываемая на АЭС. Есть проекты сооружения СЭС в пусты нях Гоби и Сахара с использованием водорода в качестве энерго носителя. Л. Браун (2003) говорит даже о водородной энергетике как о новом перспективном направлении развития отрасли.

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 отсут ствием рентабельной технологии получения химически чистого кремния, который пока стоит столько же, сколько и уран для АЭС. Однако работы по созданию технологии получения более де шевого кремния проводятся в ряде стран мира (особенно в Герма нии и Норвегии). Поскольку 1 кг кремния в солнечном элементе

98