Альтернативные энергоносители: ресурсы, перспективы использования

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ: РЕСУРСЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Одной из фундаментальных  проблем, стоящих перед человечеством, является энергетическая проблема. В  настоящее время основными источниками  энергии являются уголь, нефть и  газ. Их прогнозные ресурсы оцениваются, соответственно, в 15 трлн т, 500 млрд т и 400 трлн м3, при разведанных запасах 1685 млрд т, 137 млрд т и 140 трлн м3 (табл. 1).

При современном (2000 г.) уровне добычи разведанных запасов  угля хватит на 400 лет, нефти на 42 года и газа на 61 год. Естественно, что  со временем часть прогнозных ресурсов также будет освоена, но стоимость  их добычи будет постоянно расти.

Роль различных  источников энергии в мире в разные периоды менялась (табл. 3).

Многие столетия основным источником энергии в мире являлись обыкновенные дрова и

Ресурсы, запасы и  добыча горючих ископаемых в мире

Производство энергетических ресурсов в мире в 1990-2020 гг. [5]

Другое топливо растительного  происхождения. К началу XX века более  половины в топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) мира приходилась на долю ископаемого угля, а на долю нефти  и газа — всего первые проценты. К концу XX века две трети ТЭБа обеспечивались за счет нефти и газа и менее трети — за счет угля. В перспективе ожидается снижение роли нефти, стабилизация — природного газа и рост доли угля. Надеяться на увеличение в ТЭБе роли гидроэнергии, по ряду причин, не приходится. Что касается роли атомной энергетики, то, несмотря на известные негативные моменты, использование ее в энергетике будет расти. Правда, по некоторым оценкам, к 2020 году доля атомной энергии может снизиться до 5%, а гидроэнергии — до 2% (Энергия, 2002, № 2).

Энергопотребление в начале XXI века демонстрирует устойчивую тенденцию роста во всех регионах и странах мира. За тридцать пять лет (с 1971 по 2006 год) энергопотребление выросло более чем в 2 раза, лишь за последние 10 лет оно увеличилось на 11%. Если посмотреть на структурные составляющие мировой энергетики, то можно видеть, что на 86,8% потребности обеспечиваются за счет полезных ископаемых энергоносителей – угля, нефти, газа и урана, и только 13,2% приходится на долю альтернативных энергоносителей. При этом тенденции изменения в составе энергетических ресурсов на глобальном уровне развиваются крайне медленными темпами. Так, с 1980 г. доля нефти в общей структуре энергоресурсов снизилась с 46 до 35%. По расчетам МЭА, к 2030 году доля нефти в общей структуре потребления энергоресурсов снизится всего лишь на 1%.

В отдельных странах  структура потребления энергоресурсов может меняться и более быстрыми темпами, что является следствием прово-димой государством стратегии, изменений в запасах природных иско-паемых, реак-цией на изменение цен на энергоносители. Так, например, предпринятые Францией и Бельгией меры по развитию атомной энер-гетики позволили заметно снизить долю потребления нефти и угля. Во многих странах открытие залежей природного газа и завершение строительства международных трубопроводов (например, Германия и Вели-кобритания) также привели к снижению потребления нефти и угля в общей структуре энергопотребления в этих странах. Вместе с тем, по оценкам экспертов, уже через два десятилетия будет остро ощущаться нехватка углеводородных топлив для производства энергии в мире. На этом этапе только атомная энергетика спо-собна удовлетворить всевозрастающие глобальные потребности чело-вечества в энергии на тысячелетия без создания характерной для угле-водородных видов топлива выбросов парниковых газов, что оказывает глобальные негативные последствия на климат планеты.

Развитие атомной  энергетики – неизбежный процесс  в перспективе если не для всех, то для большинства стран мира. Другой вопрос: ко-гда, какими темпами и в каких масштабах должна та или иная страна развивать свою атомную энергетику.

За прошедшее  время ядерная энергетика достигла высоких техни-ческих и экономических показателей. В настоящее время в мире эксплуатируется 442 энергоблока АЭС, сооружается 30 энергоблоков. Ус-тановленная мощность всех указанных энергоблоков составляет около 370 ГВт(э), при этом эксплуатационный опыт составляет 12 тысяч реакторолет.

В 2002 году на АЭС  было наработано 2574,2 млрд квт.ч электроэнергии, что составляет 17% от всей вырабатываемой электроэнергии в мире. В 16 странах доля ядерной энергетики превышает 25%. Во Франции же она составляет около 80%.

Таким образом, анализ мировых тенденций развития мировой  энергетики показывает, что имеет  место постепенный, но устойчивый пере-ход к атомной энергетике. Вполне очевидно, что и развитие казахстанской энергетики рано или поздно пойдет по этому пути. К этой необходимости приведут не только истощение со временем невозобновляемых энергоресурсов, не-смотря на их громадные запасы, но и экологическая составляющая, связанная с ограничениями по парниковым выбросам и соблюдением международных стандартов по охране окружающей среды. При этом в перспективе будет расти потребность в электроэнергии, что создает жесткий баланс ее потребления и может быть связано с тенденцией к устойчивому дефициту. Как показывает анализ современного состояния электроэнергетики страны, в настоящее время уже сегодня преобладающей в структуре электропотребления Северной и Западной зон является промышленность (около 70%). В структуре электропотребления Южной зоны доля промышленности составляет 38%, доля коммунально-бытового потреб-ления - 37%. При этом велики потери и в электрических сетях, которые сегодня составляют 10% от выработки электроэнергии.

Вместе с тем  огромную и возрастающую нагрузку на энергетику Казахстана уже сегодня  накладывает задача диверсификации экономики и ускоренного развития ее обрабатывающего сектора.

Еще одним фактором возрастания нагрузки на энергетику является проблема выживания и развития малых городов, которых в Казахстане насчитывается около 60. И главная  проблема здесь - их электро- и те-плоснабжение. Малые города, удаленные от топливных и энер-гетических источни-ков, имея стратегическую демографическую значимость, сталкиваются с целым рядом проблем:

- отсутствие энергетических  ресурсов для обеспечения устойчивого  социально-экономического развития;

- необходимость  ежегодных бюджетных дотаций  для проведения отопительного  сезона;

- ухудшение социально-экономической  ситу-ации при снижении объе-мов производства или остановке градообразующих предприятий.

Все это существенно  ухудшает демографическую ситуацию в этих городах, вызывает нере-гулируемую миграцию.

Таким образом, хотим  мы того или нет, но мы стоим перед  альтер-нативой в лице атомной энергетики. При этом анализ показывает, что атомная энергетика имеет ряд преимуществ. Во-первых, это принесет снижение экологиче-ской нагрузки. Так, например, замена угольной ТЭЦ мощностью 2000 МВт на эквивалент-ную АЭС с водоохлаждаемыми реакторами приводит к сокращению по-требления угля на 11,5 млн тонн в год; выбросов золы - на 3,6-4,9 млн тонн в год, СО2 - на 24,2-28,9 млн тонн в год, SOх-на 115 тыс. тонн в год, NOх - на 210 тыс. тонн в год и естественных радионуклидов - в 40 раз.

Во-вторых, по оценкам  ОЭСР, атомная электро-энергия заметно дешевле электроэнергии, вы-работанной на нефти, а также на угле и газе при высоких затратах на их добычу и транспортировку. При сопос-тавлении ядерного топлива с углем и газом, при низких затратах на добычу и транспортировку органического топлива, цена электроэнергии примерно одинакова. Важнейшим преимуществом ядерной энергетики является стабильность цен на электроэнергию в течение длительного периода времени. Структура затрат на производство электроэнергии в атомной энергетике существенно отличается от структуры формирования цен в других видах энергетики. Это связано с тем, что себестоимость атомной электроэнергии определя-ется в основном капитальными вложениями в строительство АЭС, а не топливными затратами, в отличие от нефти, газа и угля. Топливная составляющая в общей стоимости электроэнер-гии, вырабатываемой АЭС, не более 25%, а для ТЭС, работающих на органическом топливе, на уровне 50-80%. Данное обстоятельство при-водит к повышенной устойчивости цены на атомную электроэнергию по отношению к колебаниям цены на топливо. Так, двукратное уве-личение стоимости топлива (газ, уголь, уран) для себестоимости электроэнер-гии, выраба-тываемой на этих энергоисточниках, приводит к увеличению себестоимости электроэнергии на АЭС на 9%, на угольных ТЭС - на 31%, на газо-вых - на 66%.

В-третьих, на базе атомной энергетики можно решить и проблему малых городов. Обеспечение  устойчивого развития малых территориальных  образований может быть осуществлено за счет предоставления им высоконадежных и эффективных, практически не зависящих  от колебаний цен на топливо, региональных источников тепло- и электро-снабжения на базе малых АТЭЦ, способствующих и ускоренному раз-витию предприятий местного малого бизнеса.

С точки зрения развития энергетики реализация такой программы  означала бы ввод в экс-плуатацию атомных энергоисточников суммар-ной тепловой мощностью 3-4 ГВт, что позволяет рассматривать строи-тельство атомных станций малой мощности как существенную состав-ляющую программы развития атомной энергетики Казахстана.

Каковы предпосылки  для развития атомной энергетики в Казахста-не? Они имеются и весьма весомы: в Казахстане сосредоточено около 21% мировых разведанных запасов урана; развитая уранодобывающая и перерабаты-вающая промышленность по производству уранового концентрата, диоксида урана и топливных таблеток для энергетических ре-акторов;

– высококвалифицированные  кадры с опытом выполнения работ  по эксплуатации и де-комиссии реактора БН-350 (национальная атомная компания «Казатомпром»); – инфраструктура для проведения фундамен-тальных и прикладных исследований в области ядерной энергетики и ядерной физики, в том числе выполнения работ в обоснование безопасности атомной энерге-тики, испытаниям перспективного топлива для ядерных реакторов, раз-работки проектов объектов ядерной техники. Высококвалифицированные специалисты с опытом выполнения работ по эксплуатации иссле-довательских реакторов. (Национальный ядерный центр РК); – интегрированная в МАГАТЭ национальная система ядерной и ра-диационной безопасности; – принятая в 2002 году «Концепция развития урановой промыш-ленности и атомной энергетики на 2002-2030 годы», определяющая ос-новные направления и принципы развития ядерно-энергетической от-расли республики; – законодательная и нормативная база, регу-лирующая основные аспекты деятельности по мирному использованию атомной энергии. В соответствии с концепцией в перспективе до 2030 года предпола-гается строительство АЭС в Казахстане с легководными водо-водяными реакторами поколения III, III+ . При этом в За-падном Казах-стане оптимальная электрическая мощность энергоблока может соста-вить 300 МВт, в Южном Казахстане – 600 МВт. Возможно строительство на юге Казахстана энергоблоков и мощно-стью 1000 МВт, для чего необходимо наличие 2 линии электропередачи Север-Юг по 500 кВ.

В целом же необходимая  суммарная электриче-ская мощность станций для покрытия дефицита в выработке электроэнергии в Казах-стане к 2030 году составляет 3,6-4 ГВт. Покрытие дефицита по выработке электроэнергии на юге и западе Казахстана может быть осуществлено путем строительства ядерных энергоисточников:

– на юге РК –  Балхашской АЭС суммарной мощностью ~2700 МВт (от 5 до 3 энергоблоков по 600-1000 МВт, для 1000 МВт необходимо наличие 2 линий электропередач Север-Юг по 500 кВ)); – на западе РК - Западно-Казахстанской АЭС суммарной мощно-стью ~ 900 МВт (3 энергоблока по 300 МВт). Для решения проблемы теплоснабжения малых городов Казахста-на возможно осуществление строительства в Курчатове опытно-демонстрационной двухблочной АС ММ с тепловой мощностью 78 МВт. После начала опытной эксплуатации АС ММ в г. Курчатове созда-ние производственных комплексов на базе АЭС ММ в 40 малых городах суммарной тепловой мощностью 3-4 ГВт. В перспективе возможна разработка и реализация проекта АЭС с реакторами типа ВТГР. В целом можно сказать, что последовательный перевод традици-онной энергетики на ядерноэнергетические технологии принесет за-метный синергический эффект, связанный: – с обеспечением диверсификации энергетической отрасли; – с осуществлением интеграции промышленных предприятий в международную кооперацию производителей оборудования для АЭС; – с отказом от импорта электроэнергии и энергоносителей, изме-нением структуры экс-порта в направлении увеличения доли высокотех-нологичной продукции – элек-троэнергии и реакторного топлива, а в пер-спективе и новых АЭС; – с внедрением наукоемких технологий; – с вводом в эксплуатацию комплекса по обращению с РАО, в том числе с ОЯТ; – с исключением дополнительных вредных выбросов в атмосферу и обеспечением принятых международных обязательств в решении гло-бальных экологических проблем; – с улучшением экологической ситуации в регионах и снижением уровня риска для населения, устойчивым экономическим развитием ре-гионов Казахстана. В целом ядерная энергетика имеет значительные перспективы для Казахстана, и ее развитие существенно поднимет потенциал всей энерге-тической отрасли.

Во многих странах в  производстве электроэнергии и тепла  особенно велика роль ископаемого угля (%): Польша — 96, ЮАР — 90, Австралия — 84, Китай — 80, Чехия — 71, США — 56, Дания — 52, Германия — 51, а в России всего 18! Это связано неправильным у нас соотношением уголь—газ —мазут, рассчитанном по паритету покупательной способности валют: Россия 1:0,8:1,3, США 1:2,3:2,1, Великобритания 1:1,8:1,6, Германия 1:2,4:1,7. Во всех странах, кроме России, газ дороже угля.

Учитывая постоянную сработку запасов традиционных энергоносителей — угля, нефти и газа, залегающих в благоприятных условиях, неуклонный рост цен на их добычу, в мире в достаточно крупных масштабах ведутся исследования для оценки ресурсов альтернативных энергоносителей и перспектив их использования.

Предполагается неуклонный рост использования альтернативных энергоносителей. Весьма оптимистичен прогноз Международного энергетического  совета (МИРЭС) в работе "Энергетика для завтрашнего мира — время  действовать". По этим данным к 2050 г. доля возобновляемых источников энергии  составит четверть или треть всех потребляемых энергоресурсов.

К альтернативным энергоносителям  нами отнесены торф, горючие сланцы, природные битумы, газы угленосных отложений, водорастворенные газы, нефть и газ в породах с низкой проницаемостью, гидраты углеводородных газов, геотермальная энергия, энергия солнца, ветра, океана, биоэнергия, энергия малых рек, водородная энергия, энергия силикатов, топливные элементы и вторичные энергоресурсы.

Торф и сланцы отнесены к альтернативным энергоносителям  в достаточной степени условно, хотя торф, сегодня применяемый в  основном в сельском хозяйстве, вновь  в возрастающих объемах начинает использоваться в энергетике, а горючие  сланцы нигде, кроме Эстонии, не являются основным энергоносителем.

Природные битумы успешно  разрабатываются в Канаде. В последнее  десятилетие в ряде стран (США, России и др.) много внимания уделяется  добыче и использованию газов, заключенных  в пластах угля. В США их добыча в 2000 г. достигла 40 млрд м3.

Водорастворенные газы успешно добываются в Японии, Италии и Непале. 

Ресурсы возобновляемых источников энергии — энергия внутреннего  тепла земли, солнца, ветра, океана, биоэнергия — огромны (табл. 5).

Теоретический запас энергии  Солнца намного превышает все  остальные виды энергии

Энергия различных источников

(Гидротехническое строительство, 2001, № 2)

Главным недостатком этих энергетических источников является непостоянство  их действия — ночью, в пасмурную  погоду (солнце), безветрие, штиль (ветер) и т. д.

Специалистов, по своей природе  сегодня они могут рассматриваться  только как источники для обеспечения  локальных потребителей и улучшения  экологической обстановки в местах их расположения. Геотермальная энергия  с успехом используется в России (Камчатка, Дагестан и др.), Грузии, Исландии, США и др. В странах с большим  числом солнечных дней развивается  гелиоэнергетика. Это Россия (юг), Казахстан, Грузия, Белоруссия, Узбекистан, страны Западной Европы, Африки, Япония, Австралия, США.

В прибрежноморских странах, где ветры постоянны, при скорости более 8 м/с, строятся многочисленные ветроустановки различной мощности — Дания, Германия, Голландия, Великобритания и др. В разных районах земного шара растет объем использования энергии океана — Россия, Франция, Великобритания, Япония, реализуется энергия морских волн и приливов. Велики перспективы использования энергии биосинтеза, производства биогаза, моторного топлива и спирта из биомассы. В ряде стран (США) для сжигания выращивают быстрорастущие "супердеревья", которые в отличие от обычных дров можно относить к альтернативным энергоносителям.

Возрождается строительство  малых ГЭС для производства электроэнергии для местных нужд. Некогда они  питали энергией многие районы России, Германии и других стран.

Перспективно применение топливных элементов и водорода в качестве источников экологически чистой энергии.

Объем использования возобновляемых источников энергии постоянно растет, значительные средства расходуются  на разработку новых технологий и  технических средств их применения. Этому способствует экологическая  чистота использования геотермальных, солнечных, ветровых, приливных и  других электростанций по сравнению  с тепловыми станциями (табл. 8).

Правда, сооружение СЭС и  ВЭС влечет за собой изъятие довольно значительных земельных угодий, но по остальным экологическим показателям  они вне конкуренции.

Следует отметить, что КПД  большинства энергетических установок  с использованием возобновляемых источников энергии обычно ниже КПД применения угля или газа (табл. 9).

При анализе обеспеченности стран источниками энергии необходимо учитывать климатические условия  этих стран. Например, для обеспечения  среднеевропейского уровня

КПД использования различных  источников энергии

(Энергия, 1999, № 3)

Выводы

1. В XXI веке основными  энергоносителями останутся уголь,  нефть и газ, при росте роли  угля, снижении — нефти и стабилизации  роли газа. Ресурсы угля на порядок превышают ресурсы нефти и природного газа, а цена угля (в условном топливе) в мире в два раза ниже, чем природного газа.

2. Из альтернативных энергоносителей  в перспективе возрастет добыча  и использование торфа, высоковязких  нефтей, битумов, водорастворенных и угольных газов, а также энергии внутреннего тепла Земли, Солнца, ветра, океана, малых ГЭС, гидроаккумулирующих станций, энергии биосинтеза, водорода, топливных элементов и вторичных энергоресурсов. Стоимость получения энергии за счет альтернативных энергоносителей пока выше, чем за счет традиционного сырья, но разница будет постепенно сокращаться. В некоторых странах в районах, удаленных от баз основных энергоносителей и в труднодоступных и малообжитых районах, использование альтернативных энергоносителей оправдано уже сегодня.