9 перспективы развития энергетики



жүктеу 419.77 Kb.
бет1/3
Дата29.06.2016
өлшемі419.77 Kb.
  1   2   3

9 ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ




9.1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
Энергетика, развивавшаяся до 1970-х годов относительно равномерно и без видимых сложностей, в настоящее время столкнулась с массой трудностей, преодоление которых проблемно, а в некоторых случаях вообще невозможно. Возросшее население мира потребляет все больше энергии, и уже приходится учитывать ограниченность первичных энергоресурсов и, как показано в главе 8, вредное воздействие нынешних способов получения и потребления энергии на окружающую среду и климат планеты. По прогнозу Министерства энергетики (Department of Energy, DOE) США, составленному в 2005 году, ожидаемый рост потребления энергии до 2025 года составляет


  • в развитых странах рыночной экономики 1,1 %/a,

  • в странах переходной экономики (к которым отнесена и Эстония) 1,6 %/a,

  • в странах с более низким уровнем экономики 3,2 %/a,

  • в мире в целом 2,0 %/a.

Согласно этому прогнозу, по сравнению с 2002 годом, потребление коммерческих видов энергии в 2025 году увеличится на 57 %. При этом прогнозируют, что потребление энергии, благодаря развитию техники, становится более эффективным, вследствие чего стоимость валового внутреннего продукта будет расти быстрее, чем энергопотребление, а именно




  • в развитых странах рыночной экономики на 2,5 %/a,

  • в странах переходной экономики на 4,4 %/a,

  • в странах с более низким уровнем экономики на 5,1 %/a,

  • в мире в целом на 3,9 %/a.

Рост энергопотребления приведет к дальнейшему увеличению воздействия энергетических и промышленных сооружений, а также транспортных средств на окружающую среду. До сих пор удавалось остановить развитие лишь одного вредного явления – истощения озонового слоя Земли (см. раздел 8.3). Однако усиление парникового эффекта, ставшего причиной глобального потепления климата, в ближайшие годы, очевидно, остановить не удастся. Тем не менее все же принимаются меры, чтобы замедлить потепление климата




  • путем сокращения энергопотребления,

  • путем замены углеродных видов топлива углеродно-водородными или (как идеальное решение) водородом,

  • заменой ископаемых видов топлива возобновляемыми,

  • заменой сжигаемых видов топлива ядерной энергией,

  • строительством гидравлических, ветряных, геотермальных и солнечных электростанций вместо топливосжигающих и атомных электростанций,

  • широким использованием солнечного излучения для отопления зданий и снабжения теплой водой,

  • применением тепловых насосов в отопительных системах зданий.

Энергопотребление можно уменьшить




  • снижением энергоемкости производственных процессов,

  • повышением кпд преобразователей энергии,

  • снижением потерь энергии,

  • комбинацией установок преобразования энергии между собой в целях более полного использования первичной энергии,

  • более экономным использованием энергии и снижением потерь энергии в устройствах энергопотребления.

Загрязнение окружающей среды стараются ограничить




  • отказом от использования ядовитых и других веществ, вредных для окружающей среды,

  • лучшей очисткой газообразных выбросов и сточных вод,

  • более широким повторным использованием металлов и других материалов,

  • сжиганием непригодных для повторного использования горючих отходов.

Принятие большинства из вышеназванных мер предписывается законодательными актами государств и международными конвенциями. Так как несмотря на принятые до настоящего времени усилия, опасность для окружающей среды от энергоустановок увеличилась, то можно ожидать более строгих требований по защите окружающей среды как в национальном законодательстве, так и в новых международных конвенциях.


Общая стратегия развития энергетики Европейского Союза сформулирована в Зеленой книге, составленной Европейской комиссией в 2006 году [9.1]. Предусматриваются шесть наиболее важных направлений развития:


  • завершение развития европейского свободного рынка электричества и газа,

  • обеспечение надежности энергоснабжения путем взаимной солидарности государств – членов Европейского Союза,

  • достижение надежной, длительной, эффективной и более многосторонней комбинации энергоносителей,

  • внедрение эффективных мер по защите климата, чтобы максимум выброса парниковых газов остался на уровне 2005 года, а в перспективе выбросы парниковых газов уменьшились бы, по сравнению с 1990 годом, на 15 % или даже на 50 %,

  • внедрение инновационных энерготехнических решений,

  • принятие единой энергополитики, обеспечивающей, в частности, энергобезопасность Европейского Союза.

9.2 ТОПЛИВНЫЙ КРИЗИС
Как показано в разделе 2.2, запасы ископаемого топлива Земли являются конечными, и их исчерпание, в зависимости от вида, ожидается в ближайшем или несколько отдаленном будущем. По континентам, регионам и странам эти запасы распределены весьма неравномерно, что дает возможность некоторым богатым топливными ресурсами государствам или группам государств диктовать в своих интересах цены на топливо, создавая в мире или в отдельных регионах кризисные условия топливоснабжения. Наиболее острая кризисная ситуация, имевшая далеко идущие последствия, возникла в государствах Европы и Америки 17 октября 1973 года, когда Организация стран – экспортеров нефти (Organization of Petroleum Exporting Countries, OPEC), основанная в 1960 году, куда входят Алжир, Венесуэла, Габон, Индонезия, Ирак, Иран, Катар, Кувейт, Ливия, Нигерия, Объединенные Арабские Эмираты, Саудовская Аравия и Экуадор, на своей чрезвычайной конференции, созванной в связи с вспыхнувшей Арабо-Израильской войной, сообщила об уменьшении добычи нефти на 5 % в месяц. Вслед за этим, 28 октября 1973 года, та же организация повысила стоимость нефти в четыре раза, прекратив экспорт нефти в США и Нидерланды. Возник всемирный топливный кризис, продолжающийся в несколько измененном виде до настоящего времени. Кризис усуглубляется еще и тем, что нефтяные ресурсы мира могут быть исчерпаны, по прогнозам, еще до конца 21-го века (см. табл. 2.3.3).
Цена нефти на мировом рынке существенно зависит от соотношения спроса и предложения; на цену могут влиять картельные договоренности по объему добычи нефти странами – экспортерами нефти. На рис. 9.2.1 весьма упрощенно представлено изменение цены на нефть с 1970 года до середины 2008 года, которое ясно показывает влияние на этот процесс не только конъюнктурных, но и геополитических факторов [1.21]. Цена представлена, как это принято на нефтяных рынках, в долларах США за баррель (brl); для перехода на метрические единицы следует учесть, что 1 brl = 158,987 dm3.
Одновременно с нефтью на мировом рынке постоянно повышается и стоимость природного газа.
Следует отметить, что себестоимость нефти в местах добычи обычно намного ниже и в наиболее богатых месторождениях может составлять приблизительно 1 доллар за баррель.


Рис. 9.2.1. Изменение мировых цен на нефть с 1970 по 2008 годы
(значительно упрощенно)

Повышение стоимости и предстоящий дефицит нефтепродуктов заставили многие страны принимать меры по замене нефтепродуктов альтернативными видами топлива в течение ближайших 10…20 лет. Первый государственный план по полному отказу от нефтепродуктов, а также от других углеродосодержащих видов топлива составила в 2003 году Исландия. По этому плану предусматривается, в частности, замена двигателей внутреннего сгорания транспортных средств электродвигателями (питаемыми от аккумуляторов или батарей топливных элементов), или перевод их на сжигание водорода. В 2005 году план прекращения потребления нефтепродуктов, природного газа и других видов ископаемого топлива был принят также Швецией. В США в 2006 году был введен в действие закон, по которому к 2015 году следует уменьшить импорт нефти из арабских стран на 75 %. В Эстонии вместо нефтепродуктов может начаться более широкое использование сланцевого масла (в качестве котельного топлива), а также производство бензина из горючего сланца и биодизеля из рапсового масла.


Учитывая предстоящий дефицит и значительное удорожание моторного топлива, прогнозируется также, что в 2010 году все крупные автомобилестроительные концерны мира могут начать серийный выпуск электромобилей.
Несколько дольше, чем нефть, в мире могут использоваться ресурсы природного газа (табл. 2.3.4), а еще дольше – каменного угля (табл. 2.3.1). Соответственно можно прогнозировать более быстрый рост добычи этих видов топлива.

9.3 НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
ГИДРО- И ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

На гидравлических и ветряных электростанциях не возникает двуокиси углерода или других веществ, опасных для окружающей среды. Поэтому повышение их доли в выработке электроэнергии рассматривается как одна из мер замедления глобального потепления.
При развитии гидроэнергетики необходимо, однако, учитывать, что одновременно с ГЭС приходится сооружать водохранилище, под которым могут остаться сельскохозяйственные угодия, леса, населенные пункты (иногда даже довольно крупные города) и памятники культуры (см. раздел 6.4). Поэтому стараются сооружать ГЭС в малонаселенных регионах и, в первую очередь, на реках с узким и глубоким руслом и большим падением. Почти все такие реки в мире для гидроэнергетического строительства уже освоены, но мощные ГЭС могут еще сооружаться, например,


  • на среднем и верхнем течении реки Янцзы в Западном Китае общей мощностью приблизительно 60 GW,

  • на реке Ялонг-Чиянг (Yalong Jiang) в Западном Китае общей мощностью приблизительно 30 GW,

  • на реке Конго в Африке общей мощностью приблизительно 40 GW,

  • на среднем и верхнем течении реки Енисей в России общей мощностью приблизительно 18 GW.

Освоение этих рек предусматривается в 2010…2030 годах или позже. На многих реках, особенно в Южной Америке и Центральной Азии, могут сооружаться и менее крупные ГЭС (мощностью от 1 GW до 3 GW), строительство которых в разных странах уже идет или планируется начать в ближайшие десятилетия.


Другой возможностью увеличения выработки электроэнергии на ГЭС является расширение существующих ГЭС путем установки дополнительных агрегатов. Так, в 2007 году на ГЭС Итайпу (Itaipú) на реке Парана (Paraná) на границе Бразилии и Парагвая были включены в сеть два дополнительных агрегата по 700 MW (см. рис. 6.1.4). Таким же способом могут быть расширены, в частности, и мощные ГЭС Гранд-Кули (Grand Coulee) на реке Колумбия (Columbia) в США, ГЭС Черчилл-Фоллс (Churchill Falls) на реке Черчилл (Churchill) в Канаде и Усть-Илимская ГЭС на Ангаре. Мощность ГЭС возможно увеличивать и при обновлении агрегатов – путем рационального изменения конструкции турбины, замены обмотки генератора и. т. п.; в таких случаях мощность агрегата обычно увеличивается на 5…15 %.
В Латвии, на реке Даугава (Daugava) начато обновление гидроагрегатов ГЭС Плавиняс (Pļaviņas); предполагается увеличить мощность агрегатов с 85 MW до 90 MW.
Кроме крупных ГЭС идет довольно интенсивное строительство и ГЭС средней мощности (от 100 MW до 1000 MW), малых ГЭС (от 5 MW до 100 MW), мини-ГЭС (от 0,5 MW до 5 MW) и микро-ГЭС (менее 0,5 MW). На реках Эстонии по этой классификации могут сооружаться микро- и мини-ГЭС, которые, однако, возможно полностью автоматизировать; на них себестоимость электроэнергии значительно ниже, чем на крупных сланцевых электростанциях. Малые водохранилища таких ГЭС обычно не вызывают существенных проблем защиты окружающей среды и даже могут обогатить ландшафты.
В 2010…2015 годах во многих странах мира ожидается более интенсивное сооружение приливных и волновых ГЭС.
На ГЭС, находящихся далеко от центров потребления электроэнергии, в будущем может начаться использование вырабатываемой электроэнергии для производства водорода, так как передача водорода по трубопроводам может оказаться более выгодной, чем передача электроэнергии по мощным линиям электропередачи переменного или постоянного тока (см. разделы 4.2 ja 9.6).
Ветроэнергетика за последние 10 лет развивалась намного быстрее, чем другие отрасли энергетики, что объясняется снижением стоимости ветроагрегатов, увеличением их единичной мощности, повышением надежности и, что особенно важно, возможностью сооружать крупные ВЭС за относительно короткое время (например, за 1…2 года). За 2007 год суммарная мощность ВЭС, по данным Всемирного совета ветроэнергии (Global Wind Energy Council, GWEC), увеличилась на 20 GW, или на 27 % и в начале 2008 года составляла более 94 GW, что позволяет вырабатывать более 1 % всей электроэнергии мира [6.5]. Наибольшим был рост мощности ВЭС в США (5244 MW), за которыми следовали Испания (3522 MW) и Китай (3499 MW). По мощности ВЭС (см. рис. 6.5.7) на первом месте в мире стоит Германия (22 247 MW). В наиболее благоприятных для ветряной энергетики условиях находятся государства, владеющие морскими берегами и зонами морского мелководья, целесообразными для сооружения мощных ВЭС. Наиболее мощные ВЭС (от 500 MW до 1500 MW) и запланированы в открытом море вблизи берегов. На таких ВЭС предполагается использовать ветроагрегаты мощностью от 3 MW до 10 MW. Прогнозируется, что к 2010 году суммарная мощность ВЭС в мире может дойти до 160 GW. Большинство европейских государств, обладающих территориями или акваториями, подходящими для ветроэнергетического строительства, планирует довести долю ВЭС в выработке электроэнергии приблизительно до 20 %.
Рост мощности ВЭС, изменчивость ветра по времени и особенности автоматического управления ВЭС могут усложнить работу энергосистем и особенно их управление в экстремальных условиях нагрузки. Например, 4 ноября 2006 года комплекс энергосистем, входящих в европейский Союз координации передачи электричества (UCTE, см. раздел 6.9), из-за непредвиденного включения и отключения большого количества ВЭС после планового отключения одного из магистральных линий электропередачи напряжением 380 V, распался на три отдельные части; на 20 min осталось без питания около 15 миллионов домов [9.2].
Чтобы уменьшить отрицательное воздействие ВЭС на энергосистемы, следовало бы снабжать их энергоаккумуляторами. К сожалению, подходящие для этой цели электрические и механические аккумуляторы настолько дороги, что их использование экономически нецелесообразно. Другим вариантом аккумулирования энергии могло бы стать производство водорода путем электролиза, но и эта возможность пока еще относительно дорога. Наиболее простым считается использование существующих гидроаккумулирующих электростанций (см. раздел 5.3) или сооружение новых ГАЭС, если это позволяют геологические условия местоположения ВЭС. С приемлемыми затратами в некоторых регионах могут сооружаться и подземные аккумуляторы сжатого воздуха.
Так как колебания мощности ВЭС, распределенных по большой территории, не происходят одновременно, то они могут взаимно компенсироваться. Если, например, создать систему, состоящую из одних только ВЭС, то суммарная мощность такой системы могла бы стать достаточно равномерной во времени, и соединение такой системы с энергосистемами, состоящими из тепловых и гидроэлектростанций, могло бы происходить без существенных проблем. В 2005 году ирландская фирма ветроэнергетики Эртрисити (Airtricity) и международный концерн АББ (ABB), производящий энергетическое оборудование, выдвинули идею объединить крупные планируемые морские ВЭС Великобритании, Германии и Нидерландов в систему Супергрид (Supergrid) мощностью более 10 GW, используя в ней линии электропередачи как переменного, так и постоянного тока [9.3]. В то же время были начаты соответствующие технические и экономические исследования. Предполагают, что система может быть реализована в 2010 году.
Суммарная мощность ВЭС выравнивается и тогда, когда они соединены параллельно, на одном и том же напряжении, в существующую энергосистему. В этом случае пропускная способность линий электрической сети, учитывая большие колебания их нагрузки, должна быть достаточно велика, что весьма часто приводит к необходимости усиления этих линий.
9.4 НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Развитие ядерной энергетики долгое время вызывало в обществе противоречивые реакции. С одной стороны, ясно, что выработка электроэнергии на атомных электростанциях не сопровождается выбросами двуокиси углерода и других вредных для окружающей среды веществ и что перевозки ядерного топлива из-за его относительно малого количества не загружают сколько-нибудь существенно железнодорожных транспортных систем, с другой стороны, опасаются


  • возможных неисправностей АЭС, которые могут привести к опасности радиоактивного заражения окружающей среды,

  • недостаточной надежности хранилищ радиоактивных отходов, возникающих в ядерных реакторах,

  • риска, что энергетические ядерные реакторы могут быть использованы для производства плутония, пригодного для изготовления ядерного оружия,

  • возможности, что на заводах обогащения урана, кроме урана с относительно низкой степенью обогащения (с содержанием изотопа 235U от 2 % до 5 %), необходимого для ядерных реакторов, могут производить высокообогащенный оружейный уран (с содержанием изотопа 235U до 95 %), который может оказаться в руках авантюристически настроенных военных диктатур или террористических группировок,

  • утечки радиоактивных веществ при их транспортировке,

  • больших расходов, требующихся для демонтажа выведенных из эксплуатации ядерных реакторов.

Стоимость АЭС на единицу номинальной мощности намного больше, чем топливосжигающих электростанций, но себестоимость электроэнергии обоих типов электростанций приблизительно одинакова. Однако в 1970-ых и 1980-ых годах к конструкции АЭС стали предъявлять повышенные требования безопасности, что привело к увеличению их стоимости. В это же время каменный уголь и другие виды ископаемого твердого топлива, благодаря более совершенной технологии их добычи, стали несколько дешевле, и соответственно несколько снизилась и себестоимость электроэнергии топливосжигающих электростанций. По чисто экономическим соображениям дальнейшее строительство АЭС во многих странах (например, в США с 1976 года) прекратилось. Кроме того, под давлением общественных движений в некоторых странах (например, в Швеции и Германии) были приняты решения отказаться от развития ядерной энергетики и постепенно вывести из эксплуатации существующие АЭС.


В 2006 году выяснилось, что наиболее реальной возможностью для уменьшения глобальных выбросов двуокиси углерода в атмосферу при выработке электроэнергии является сооружение АЭС вместо топливосжигающих электростанций. Кроме того стали принимать во внимание, что зависимость от импорта топлива для электростанций может стать политически-экономическим фактором риска для энергобезопасности страны. Так, в 2008 году появились сообщения, что к 2030 году в США могут быть построены 45, а в России 42 новых ядерных реакторов. В Китае приблизительно к этому сроку будут построены 32 реактора электрической мощностью по 1000 MW. Разработаны и устанавливаются сверхнадежные водо-водяные и кипящие реакторы нового поколения (см. раздел 3.8), обеспечивающие меньший расход урана и меньшую себестоимость электроэнергии. В 2001 году в США начаты исследования по разработке размножающих реакторов четвертого поколения, использующих природный уран; производство таких реакторов может начаться в 2020-ых годах [9.4].
Возобновление интереса к АЭС объясняется и тем, что мировых запасов урана хватит на более длительное время, чем запасов нефти и природного газа (см. раздел 2.5). Учитывая необходимость сооружения новых АЭС, заключены различные международные соглашения по развитию ядерной энергетики. В частности, в феврале 2006 года Министерство энергетики США приняло план всемирного партнерства в области ядерной энергетики (Global Nuclear Energy Partnership, GNEP), предусматривающий


  • сооружение АЭС нового поколения в США,

  • развитие и внедрение новых технических способов утилизации использованного ядерного топлива,

  • надежную обработку и транспортировку, а также надежное хранение ядерного топлива в США,

  • создание усовершенствованных реакторов для использования вторичного ядерного топлива,

  • обеспечение доступа развивающихся стран к ядерному топливу, надежно исключая использование этого топлива для военных целей,

  • разработку реакторов малой мощности для развивающихся стран,

  • обеспечение ядерной безопасности и исключение нецелевого использования ядерных материалов при развитии ядерной энергетики.

Важнейшей целью развития ядерной энергетики является создание термоядерного реактора. Такой реактор основывается на реакции слияния атомов водорода, при которой образуются атомы гелия, а часть массы атомных ядер превращается в энергию. Чтобы слияние (синтез) стало возможным, кинетическая энергия теплового движения ядер водорода должна быть достаточно велика для преодоления междуядерных сил отталкивания; для этого нужна температура приблизительно 108 K. Кроме того, плотность водородной плазмы должна быть достаточной для возникновения реакции синтеза, и плазма при такой плотности должна удерживаться достаточно долго.


То, что при реакции ядерного синтеза выделяется энергия, впервые предположил в 1920 году английский физик Фрэнсис Уильям Астон (Francis William Aston, 1877–1945). В том же году английский астроном Артур Стэнли Эддингтон (Arthur Stanley Eddington, 1882–1944) высказал гипотезу, что энергия Солнца основывается на превращении водорода в гелий. В 1926 году он вычислил, что температура в центральной части Солнца должна находиться в пределах от 15 MK до 20 MK и что, благодаря сверхсильному гравитационному полю, ядра водорода находятся настолько плотно друг к другу и сталкиваются между собой настолько часто, что возникает стабильная термоядерная реакция, при которой выделяется огромное количество энергии. В 1929 году американский астроном Генри Норрис Рассел (Henry Norris Russell, 1877–1957) доказал, что Солнце и состоит главным образом из водорода. В 1938 году американский физик Ханс Альбрехт Бете (Hans Albrecht Bethe, 1906–2005) и немецкий физик Карл Фридрих фон Вайцзекер (Carl Friedrich von Weizsäcker, 1912–2007) независимо друг от друга разработали теорию термоядерной реакции (цикла Бете-Вайцзекера), происходящей внутри Солнца и звезд, по которой четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия. В Солнце таким образом преобразуется 650 Mt водорода в секунду, причем, масса, превращаемая в энергию, составляет 4,6 Mt/s. В 1951 году английский физик Алан Альфред Уэр (Alan Alfred Ware) впервые пытался получить искусственную плазму, пригодную для термоядерной реакции, используя для удержания плазмы магнитное поле (магнитную бутылку); в том же году начались соответствующие исследования в США и СССР. Наиболее эффективной оказалась стабилизация плазмы при помощи магнитного поля в тороидальной камере, изобретенной руководящими физиками Лаборатории ядерной энергии СССР Игорем Таммом (1895–1971) и Андреем Сахаровым (1921–1989) (в токамаке, от слов тороидальная камера с магнитными катушками); результаты этих работ были рассекречены в 1956 году. До этого, в 1952 году, в США под руководством Эдварда Теллера (Edward Teller, 1908–2003) была создана водородная бомба, в которой высокотемпературная водородная плазма кратковременно удерживается при помощи ядерного взрыва урана.
Из всех возможных вариантов реакции ядерного синтеза наиболее пригодным для практической реализации оказалось преобразование тяжелого и сверхтяжелого водорода (дейтерия и трития) в гелий по формуле

с освобождением энергии в 94 MWh/g.
В природном водороде содержится 0,016 % дейтерия, и выделение этого изотопа, например, из морской воды, намного проще, чем обогащение природного урана изотопом урана 235U. Однако тритий является радиоактивным изотопом, время полураспада которого равно 12 лет. Поэтому в природе трития нет, и в термоядерном реакторе его получают при поглощении нейтрона атомом лития 6Li в результате реакции

при которой освобождается энергия 95 MWh/g.
В итоге возникает цепная реакция, принцип протекания которой графически изображен на рис. 9.4.1.


  1   2   3


©dereksiz.org 2016
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет