Харитонов Енергетика

очень велик – от 3 кВт до 18 ГВт. ГЭС с установленной мощностью менее 1 МВт называют малыми. В мире насчитывается более 100 ГЭС мощностью более 1 ГВт. Некоторые характеристики крупнейших из них представлены в табл. 2.2. Наиболее крупные ГЭС в последнее время построены и строятся в Китае и Бразилии.

Гидроэнергетический каскад на реке Парана (Мать моря) считается крупнейшим не только в Латинской Америке, но и в мире: Бразильско-Парагвайская ГЭС «Итайпу» (Поющий камень) мощностью 13 ГВт, Аргентино-Парагвайская «Ясирета» – 4 ГВт, «Акарай» – 3 ГВт. Вторая по мощности в регионе Венесуэльская ГЭС «Гури» на реке Карони имеет мощность более 10 ГВт. В бассейне Параны установлено почти 2/3 мощностей всех ГЭС Бразилии. Длина плотины ГЭС «Итайпу» – почти 8 км, высота – 196 м (т.е. примерно высота небоскреба в 75 этажей), ширина – 400 м. Мощность генераторов по 700 МВт.

Выработка электроэнергии в этих районах подвержена сильным колебаниям, особенно в засушливые годы. В результате засухи в 2001 г. и из-за неготовности к ней энергосистемы Бразилии на протяжении восьми месяцев некоторые районы страны были погружены в темноту и жили в режиме апагона – периодического отключения электроэнергии на 4 – 5 часов в день.

В Китае на р. Янцзы построена крупнейшая ГЭС «Санься» (Три ущелья) мощностью 18 ГВт. Из района строительства водохранилища благополучно отселено около 1 млн человек. Началось строительство второй крупнейшей гидроэлектростанции – «Силоду» в нижнем течении р. Цзиньшацзян в провинции Юньнань. Проектная мощность составит почти 13 ГВт. По данному показателю электростанция займет второе место в Китае после ГЭС «Санься» и третье место среди таких же объектов мира. Это одна из 4 запланированных ГЭС на р. Цзиньшацзян, которые составят каскад крупнейших гидроэлектростанций.

На долю России приходится около 12 % гидроэнергетического экономически приемлемого потенциала мира. Гидроресурсы в России расположены крайне неравномерно: более 80 % из них сосредоточены в Сибири и на Дальнем Востоке. В европейской части России экономический потенциал гидроресурсов практически исчерпан.

Другие возобновляемые энергетические ресурсы (приливы, океанские волны, температурные градиенты теплых морей, ветер, геотермальные источники) могут играть важную роль в отдельных регионах, но их общие ресурсы малы по сравнению с ожидаемым потреблением энергии [2.4] – [2.6].

2.2. Органическое топливо и тепловые электростанции

Уголь, нефть и газ – это результат теплового, механического, биологического и радиационного воздействия на останки растительного и животного мира в течение многих столетий. В составе органического топлива превалируют углерод и водород, поэтому часто его именуют углеводородным топливом. Различают две разновидности земной органики: залегающее пластами гумусовое ве- щество (останки высших земных организмов) и рассеянное в глинистой породе сапропелевое (останки фито- и зоопланктона) [2.7]. С течением времени в этих веществах без доступа кислорода происходит увеличение доли атомов углерода. Этот процесс называют карбонизацией или «углефикацией». Сконцентрированное в пласты гумусовое органическое вещество формирует угли, а нефть и газ суть побочные продукты карбонизации тонко диспергированного в глинистых слоях сапропелевого органического вещества.

Количественной мерой карбонизации служит весовая концентрация углерода в органике. Для торфа – продукта начального превращения растительного материала – весовое содержание углерода не превышает 60 %. На следующей – буроугольной стадии – оно поднимается до 73 %. Трансформация бурых углей в каменные, а последних в антрациты связана с дальнейшим повышением содержания углерода (до 90 % и выше). Конечный продукт карбонизации – графит – есть чистый углерод. Интенсивное отделение нефтяных углеводородов из рассеянного органического вещества начинается на определенной стадии его созревания, когда содержание углерода в органике достигает величины 0,74 г/т.

Торфообразование представляет собой микробиологический процесс. Последующую карбонизацию обычно приписывают воздействию потока тепла из глубины Земли. Однако последние данные свидетельствуют о том, что образование угля и нефти есть радиационно-термический процесс. Максимальный эффект карбонизации производят сильно ионизирующие α-частицы, испускаемые радиоактивными элементами (преимущественно ураном), диспергированными в небольших количествах (г/т) в самом органическом веществе. Причина, по которой в облучаемом органическом веществе повышается доля атомов углерода, состоит в образовании и уносе летучих продуктов радиолиза – H2, CH4, NH3, H2O. В итоге в оставшемся веществе главным элементом становится углерод.

Сегодня углеводородное топливо – главный источник энергии и будет продолжать служить таковым в ближайшие десятилетия. Сжигание угля, нефти и природного газа обеспечивает около 80 % мирового энергопотребления. Мировое производство электроэнергии в настоящее время также обеспечивается в основном за счет ископаемого органического топлива (на 60 – 65 %) [2.4] – [2.6].

Уголь. Три тысячелетия назад китайцы обнаружили уголь и начали применять его в качестве топлива. Вернувшись после путешествия в Китай, Марко Поло в XIII веке представил уголь западному миру [2.5].

Уголь имеет углеродную основу, и энергия при его сгорании в кислороде высвобождается главным образом в процессе образования двуокиси углерода (углекислого газа) по реакции

где q – теплотворная способность углерода, равная 393 кДж/моль = = 33 МДж/кг углерода. Если относить теплотворную способность не к 1 кг углерода, а к одной реакции (сгоранию одного атома углерода), то величина теплотворной способности составит

q = 33·106·12·1,66·10-27 = 6,57·10-19 Дж = 4,1 эВ.

Электрон-вольт (эВ или eV) – внесистемная единица измерения энергии, удобная в атомной и ядерной физике. Электрон-вольт – это энергия, приобретаемая частицей с зарядом, численно равным заряду электрона, в электрическом поле с разностью потенциалов в

1 В: 1эВ = 1е·1В = 1,6.10-19 Кл·1В = 1,6.10-19 Дж.

При сгорании одного атома углерода расходуется два атома кислорода, т.е. на сгорание 12 кг углерода расходуется 16х2 = 32 кг кислорода (или приблизительно 3 кг кислорода на 1 кг угля). Учитывая, что в воздухе содержится всего 21 % кислорода, для сжигания 1 кг углерода в камеру сгорания необходимо подавать около

15кг воздуха.

На Земле запасы каменных углей значительны и их залежи рас-

пределены достаточно равномерно. По оценке геологов, разведанные рентабельно извлекаемые запасы угля превышают 1 трлн т (1012 т), так что при современных темпах потребления разведанных запасов хватит на 250 лет. Самые крупные производители угля, КНР и США, добывают по 1 млрд т/год. Общая добыча угля (в 65 странах мира) составила в 2000 г. 4,5 млрд т/год. В электроэнергетике западноевропейских стран используется в основном импортируемый каменный уголь. В 2001 г. на европейских электростанциях было израсходовано 150 млн т угля, из них 92 млн т в Германии и Великобритании и только 4,7 млн т – во Франции, где около 80 % электроэнергии вырабатывается на АЭС.

Разведанные запасы угля в России оцениваются в 150 – 170 млрд т, что при сохранении его добычи на уровне 2000 г. (0,25 млрд т в год) приведет к их истощению лишь через 650 лет. Основное количество запасов энергетических углей приходится на районы Западной и Восточной Сибири. Наиболее благоприятные для извлечения высококачественные каменные угли сосредоточены в Кузнецком бассейне, а бурые – в Канско-Ачинском бассейне.

Природный газ. Природный газ состоит преимущественно из метана СН4. При полном сгорании метана по реакции

на 1 кг метана расходуется 16·4/(12 + 4) = 4 кг кислорода, т.е. больше, чем на сжигание 1 кг угля. Теплотворная способность метана q = 37 МДж/кг или 6,1 эВ.

Подтверждённые запасы природного газа находятся в интервале (1,3÷1,6) 1014 м3. При современных темпах потребления этого количества могло бы хватить на 70 лет. Полные запасы природного газа на Земле оцениваются в (3,6÷5,2) 1014 м3, из которых более 50 трлн м3 (0,5·1014 м3) уже добыто. По прогнозам, в 2000 – 2030 гг. темпы потребления газа увеличатся вдвое.

Разведанные извлекаемые запасы газа в России оцениваются в 40 – 50 трлн м3, что составляет около 30 % мировых [2.4] – [2.6], [2.8]. При стабилизации добычи газа на уровне около 0,7 трлн м3 в год истощение запасов наступит через 60 – 70 лет. Три месторождения в Западной Сибири (Ямбургское, Уренгойское, Медвежье) обеспечили около 75 % добычи газа в 2000 г. Из-за выработки этих месторождений к 2020 г. добыча газа здесь не превысит 11 % добычи в России. Ввод в эксплуатацию крупнейших в мире месторождений газа на полуострове Ямал и в российской части арктического шельфа позволит России укрепить позиции на мировом рынке газа. В то же время удаленность месторождений от потребителей газа приводит к тому, что на прокачку газа по российским газопроводам расходуется около 30 % всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Эти расходы равны энергии, вырабатываемой всеми ГЭС и АЭС России, вместе взятыми.

Важная задача для России – освоить промышленное производство сжиженного природного газа (СПГ, в английской аббревиатуре LNG) и построить терминалы по отправке специализированных судов СПГ-танкеров в другие страны [2.8]. В последние годы объем реализации СПГ быстро растет: утроение за 10 лет. Ожидается, что к 2010 г. доля СПГ в мировой торговле газом достигнет 30 %.

Нефть. Нефть представляет собой сложную смесь углеводородных соединений. Из нее получают бензин (СН2)N, керосин, дизельное топливо, мазут и ряд других видов топлива. Нефть является исходным и труднозаменимым сырьем для химической про-

мышленности (при производстве масел, пластмасс, резины, битума, растворителей и т.д.). Только на эти цели требуется ежегодно около 1 млрд т нефти. Цена некоторых продуктов нефтехимии в 100 раз превышает цену сырой нефти.

Разведанные и пригодные для добычи запасы нефти на Земле оцениваются в 1000 – 1500 млрд баррелей (около 143 – 215 млрд т), т.е. менее 35 тонн на ныне живущего человека [2.4] – [2.6], [2.10]. При современных темпах потребления (на уровне 3,5 млрд т в год) этого количества хватит на 50 лет. По оценкам геологов, общие запасы нефти на Земле могут составлять 2300 млрд баррелей (из них к настоящему времени израсходовано 700 млрд баррелей).

Более 40 % мировой добычи обеспечивают страны ОПЕК, около 30 % – экономически развитые страны (в том числе 10 % – США, 9 % – страны Европы), 9 % – Россия, 10 % Южная и Центральная Америка, 5 % – Китай. ОПЕК – это организация стран-экспортеров нефти. В состав ОПЕК входят 11 стран: Алжир, Венесуэла, Индонезия, Иран, Ирак, Катар, Кувейт, Ливия, Нигерия, Объединенные арабские эмираты, Саудовская Аравия.

Разведанные запасы нефти в России составляют 12 – 13 % мировых. Этих запасов при стабилизации добычи нефти на уровне 0,3 млрд т в год хватит примерно на 50 – 60 лет.

В последние годы начата разработка технологий освоения шельфовых месторождений. В этой области Россия существенно отстает от других стран. Ресурсы российского континентального шельфа оцениваются в 140 млрд ТУТ, из которых около 15 – 20 % приходится на нефть, остальное – на газ [2.8] – [2.10]. Россия претендует на площадь континентального шельфа в 6,2 млн.кв.км, что составляет 21 % всего шельфа мирового океана. Наибольшая часть шельфа относится к Западной Арктике (Баренцево и Карское моря), Восточной Арктике (моря Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское), дальневосточным морям (Берингово, Охотское, Японское) и южным (Каспийское, Черное, Азовское). Более 85 % общих запасов нефти и газа приходится на арктические моря.

Большая доля добываемой нефти идет на нужды вооруженных сил. Авторы «взрывной дейтериевой энергетики» [2.11] называют нефть одним из самых «милитаризованных продуктов» и «самым массовым оружием поражения». Действительно, боеприпасы современных армий не могут быть применены, если не будет нефти.

Во время локальной войны в Югославии весной 1999 г. было сожжено в двигателях и уничтожено в нефтехранилищах столько же нефти, сколько за всю вторую мировую войну [2.11].

Уменьшает энергетический век нефти и то, что она является незаменимым сырьем для химической промышленности. Однако, переработка углеводородного сырья пока является не самым сильным козырем российского нефтегазового комплекса. Так, при ежегодной добыче около 300 млн т нефти производство автобензина в 2005 г. составило 32 млн т, дизельного топлива – 59 млн т, мазута – 56 млн т, авиакеросина – 8 млн т [2.9], [2.10].

Международный рынок органического топлива. В настоящее время более одной трети производимой в мире энергии попадает к потребителям, предварительно пересекая государственные границы. Для сырой нефти этот показатель превышает 40 %, для природного газа – около 20 %, для каменного угля – 10 %. Россия остается крупнейшим экспортером энергоресурсов, ежегодно продавая на мировых рынках более 340 млн ТНЭ, в том числе более трети добываемого в стране газа и более половины – нефти [2.8] – [2.10].

Необходимость международного обмена энергетическими ресурсами является следствием их неравномерного размещения на территории Земли и несоответствия этого размещения центрам энергопотребления. США потребляют около 25 % производимых в мире энергоресурсов, располагая лишь 3 – 4 % разведанных запасов нефти и природного газа [2.4] – [2.6]. Западная Европа при 20 % мирового энергопотребления имеет только 4 – 7 % запасов нефти и газа. Япония, Сингапур, Южная Корея и Тайвань практически лишены собственных энергоресурсов. Россия и Австралия, а также страны Ближнего Востока имеют большие запасы энергоресурсов и активно их экспортируют, чему способствуют высокие цены на энергоресурсы (рис. 2.2, 2.3).

Основными экспортерами газа являются шесть стран: Россия

(37 %), Канада (16 %), Алжир (10 %), Норвегия (8 %), Нидерланды

(7 %) и Индонезия (7%), а основными импортерами – США (16 %),

Германия (14 %), Япония (13 %), Украина (10 %), Италия (8 %) и

Франция (6 %) [2.4], [2.8].

Большие дивиденды получают не столько экспортеры газа, сколько те продавцы, которые реализуют его конечному потребителю. Так, если «Газпром» продает газ в Европе по цене около

200 дол. за 1000 м3, то конечным потребителям он продается уже за 600 дол. Поэтому российские компании стремятся участвовать в акционерном капитале западных компаний, владеющих газораспределительными сетями, газохранилищами и имеющими выход на непосредственных потребителей газа.

Большинство экспертов прогнозируют высокие цены на природный газ (рис. 2.4). Большая часть поставок импортируемого газа осуществляется в рамках жёстких контрактов «take or pay» («бери или плати»). Цены долгосрочных контрактов устанавливаются с учётом прогнозируемых цен на нефтепродукты, так как между этими ценами существует определённая корреляция.

Основные экспортеры угля – Австралия (24 %), Южная Африка

(19 %), Индонезия (14 %), Китай и Колумбия (по 9 %), Канада (8 %) и США (7 %), а в числе главных импортеров угля – Западная Европа (25 %), Япония (21 %), Республика Корея (11 %) и Тайвань (7 %) [2.4]. Уголь обычно импортируется по долгосрочным контрактам, предполагающим ежегодный пересмотр цен. В отличие от нефти и газа цены на уголь более стабильны. Одной из причин устойчивости цен на уголь является отсутствие на рынке угля крупных картелей, способных существенно повлиять на рыночные цены.

Нефть экспортируется в основном из стран Ближнего Востока, Африки, России, Латинской Америки и некоторых стран Западной Европы. Основные импортеры нефти – страны Западной Европы (около 700 млн т), США (500 млн т) и Япония (более 220 млн т). На долю этих стран приходится более 70 % мирового импорта нефти.

По мнению многих экспертов наблюдаемый в последние годы рост цен на нефть не связан только с растущим спросом на «черное золото», превышением спроса над предложением, истощением традиционных мировых запасов нефти или падением темпов воспроизводства минерально-сырьевой базы. Формирование уровня мировых цен с конца 80-х годов XX в. фактически переместилось на три площадки биржевой торговли нефтью и нефтепродуктами – Нью-Йоркскую и Сингапурскую товарные биржи (NYMEX и SIMEX) и Лондонскую нефтяную биржу (IPE). Оборот реальных объемов нефти на этих трех торговых площадках составляет менее 1 % от общего объема международной торговли нефтью. К тому же на этих биржах торгуют в основном не реальным товаром, а на 98 % производными финансовыми инструментами – фьючерсными

контрактами на поставку нефти. Возникает вопрос – почему США, являющиеся основным потребителем нефти в мире, не исправляют ситуацию? По-видимому, США как раз заинтересованы в высоких ценах на нефть, которые в перспективе могут подорвать экономику конкурентов среди потребителей (например, Китай и другие быстро развивающиеся страны) [2.9]. США не так сильно страдают от высоких мировых цен на нефть, потому что являются третьим в мире производителем нефти.

В связи с большими запасами энергоресурсов в России (до 15 % газа, до 35 % нефти и 20 % угля) перед страной стоит важная геополитическая задача – стать «энергетической сверхдержавой» [2.9]. Роль России как «энергетической сверхдержавы» можно определить следующим образом: это крупнейший поставщик нефти и газа на мировой рынок, влияющий на ценообразование, определяющий баланс спроса и предложения, способный регулировать предложение энергоресурсов как на западных, так и на восточных рынках, а также являющийся крупнейшим транзитным узлом для поставок углеводородов из других регионов (прежде всего из Центральной Азии и Каспийского региона) [2.9].

Тепловые электростанции (ТЭС). Тепловые электростанции

(ТЭС) дают основной вклад в производство электроэнергии в нашей стране и в мире. Их работа основана на сжигании углеводородного топлива. ТЭС характеризуются большим разнообразием конструкций и назначением [2.12], [2.13]. По типу сжигаемого топлива ТЭС различаются на угольные, газовые (сжигающие природный газ) и мазутные (или газомазутные). На некоторых ТЭС используются также торф, горючие сланцы, дизельное топливо,

биомасса. По назначению и виду отпускаемой энергии электро-

станции в России разделяются на районные и промышленные. Районные электростанции обслуживают все виды потребителей

региона (района) – промышленные предприятия, транспорт, население и т.д. Со времен СССР они сохранили историческое название ГРЭС (государственные районные электростанции). Если ТЭС вырабатывает только электроэнергию, то ее часто называют конденсационной ТЭС. Районные электростанции, вырабатывающие электрическую и тепловую энергию (в виде пара или горячей воды), называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Обычно ТЭЦ распо-

лагаются вблизи от потребителей тепла. Как правило, ГРЭС и ТЭЦ имеют мощность более 1 ГВт.

Промышленные электростанции обслуживают тепловой и элек-

трической энергией конкретные промышленные предприятия или их комплекс.

По типу теплосиловых установок, используемых на ТЭС для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения ротора турбоагрегатов, различают паротурбинные, газотурбинные и парогазовые электростанции.

Основная часть электроэнергии в стране производится на паротурбинных ТЭС. Как следует из технологической схемы конденсационной паротурбинной ТЭС (рис. 2.5а, 2.5б), топливо подается в котел (котлоагрегат) для сжигания в атмосферном воздухе, который нагнетается в котел мощными воздуходувками. Для полного сжигания 1 кг топлива требуется (в зависимости от состава и теплоты сгорания топлива, см. табл. 2.3) 10 – 15 кг воздуха, в составе которого 21 % кислорода. Таким образом, воздух – это тоже «природное сырье» для производства электроэнергии. Для выработки 1 кВт·ч электроэнергии требуется примерно 5 м3 воздуха.

Далее высокотемпературные газообразные продукты сгорания топлива внутри котла передают часть своей тепловой энергии воде, движущейся в трубах. Охлажденные до температуры 130 – 160 оС продукты сгорания (дымовые газы) через дымовую трубу покидают ТЭС. С дымом уходит 10 – 15 % тепла (рис. 2.6). Вода в трубах