06/05/2013
Выбор перспективной энергетики XXI в. сегодня является самым главным вопросом. К сожалению, не в одной ФЦП вопросы энергетики в чистом виде, её перспективного развития не рассматриваются. А если и входят в программы, то с финансированием по остаточному принципу, что не позволяет смотреть далеко вперед. Вместе с тем, энергетика представляет собой системообразующую отрасль национальной экономики, которая определяет её конкурентоспособность, себестоимость валового внутреннего продукта, уровень развития любой инфраструктуры.
В основе цен на ту или иную продукцию лежат энергетические затраты на её производство. Не случайно у экономистов существует два понятия: продукт с низкой и высокой добавочной стоимостью.
Всё энергетическое оборудование, как правило, является продуктом с высокой добавочной стоимостью. И оно вносит особый вклад в пополнение ВВП любого государства. В нашей стране, к сожалению, на современном этапе в основном производится продукция с низкой добавочной стоимостью. Например, в случае судостроения, это корпуса судов, для добывающих платформ также только корпуса. Всю энергетическую оснастку мы приобретаем за границей. Соответственно, и прибыль получаем несоизмеримо меньшую.
В основе выбора того или иного вида энергетики лежат четыре вида, четыре потока ресурсов: информация (знания об объекте), энергия, материалы, трудовые ресурсы.
В настоящее время сформировалась новая парадигма экономики и энергетики, а именно переход к решению эколого-экономических задач, задач перспективного экологического развития, при решении которых должно происходить согласование, сопряжение интересов и требований политики, экономики, производства и экологии.
Затраты на ликвидацию последствий воздействия на экологию сегодня существенно превышают затраты на создание новых экологически чистых продуктов.
Энергоресурсная, энергоэкономическая и энергоэкологическая проблемы для мирового сообщества в XXI в. становятся основными.
Мировой опыт показал, что экономить энергию в 2-4 раза дешевле, чем строить новые энергетические комплексы. Поэтому в качестве парадигмы развития на XXI век ЮНЕСКО приняла экономию ресурсов.
Масштаб современного развития энергетики в мире столь велик, что ресурсные факторы и, главное, экологические проблемы приобретают статус критических ограничений, дальнейшее нарушение которых грозит самой цивилизации. Именно ресурсы и экологические проблемы являются определяющими при выборе вида энергетики.
Рассмотрим четыре направления глобальной энергетики:
Считается, что на рубеже 2030-2040 гг. мир откажется от атомной энергетики. С моей точки зрения, наоборот, доля атомной энергетики будет постоянно возрастать, а доля ВИЭ не будет превышать 10-15% (в лучшем случае 20%). Традиционная энергетика по-прежнему будет преобладать. Прогнозы о том, что к 2060 г. практически весь объем энергии будет получаться за счет возобновляемых источников энергии, на мой взгляд, беспочвенны.
В основу выбора вида перспективной энергетики положены экологические проблемы. В качестве критического параметра рассматривается выброс парниковых газов. По оценкам Мировой экономической ассоциации (МЭА), сокращение парниковых выбросов в мировом энергетическом секторе в 2 раза (с 30 Гт/год до 14 Гт/год) потребует дополнительных инвестиций в 45 трлн долл. США за период до 2050 г. (1,1 трлн долл. США в год). Ограничение создания новых энергосберегающих технологий связано со стоимостью. Считается, что на рубеже 2030 г. стоимость традиционной энергетики и разрабатываемой новой энергетики примерно сравняется.
Основой стратегии любого государства является обеспечение энергобаланса — баланса добычи, переработки, транспортировки, преобразования, распределения и потребления всех видов энергетических ресурсов.
Под интегральными ресурсами понимается системная совокупность ресурсов - вещественных, энергетических и информационных, как факторов жизни общества в сочетании с материальными и трудовыми ресурсами.
В современной России баланс нарушен на всех этапах развития энергетики. Мы добываем первичных энергоресурсов больше, чем разведаем и открываем новых месторождений. И так ограниченные ресурсы мы выбираем ускоренными темпами.
В экономике природопользования различают валовой, технический и экономический энергетические ресурсы.
Валовой ресурс представляет суммарную энергию, заключенную в данном виде энергоресурса. Технический ресурс — это энергия, которая может быть получена из данного вида энергоресурса при существующем развитии науки и техники. Технический ресурс составляет от доли до десятка процентов от валового ресурса, и постоянно увеличивается по мере усовершенствования энергетического оборудования и освоения новых технологий. На сегодняшний день даже для самой совершенной технологии доля получаемой энергии не превышает 10% от валового ресурса.
Под экономическим ресурсом подразумевается энергия, получение которой из данного вида ресурса экономически выгодно при существую¬щем соотношении цен на оборудование, материалы и рабочую силу. Он составляет некоторую долю от технического ресурса и так же увеличивается по мере развития энергетики.
Единственными видами энергетики, которые сегодня являются конкурентоспособными, это традиционные тепловые двигатели, работающие на углеродном топливе, и атомная энергетика. Причем, уникальность атомной энергетики заключается в том, что стоимость единицы энергии её не зависит от стоимости урана. Во всех остальных видах наблюдается резкое изменение стоимости при повышении цен на первичное сырье.
При современной численности населения и существующем уровне развития энергетики, земной шар в настоящее время перенаселен и энергетически перенасыщен. Дальнейшее увеличение энергетической мощности обязательно будет сказываться на экологических проблемах. Финансовой мировой элитой вкладываются огромные деньги, для того чтобы затормозить прирост населения земного шара.
По оценкам МЭА (WEO 2009), при сохранении темпов роста населения и ВВП (в соответствии с данными ООН и Всемирного Банка) потребление первичной энергии к 2030 г. вырастет на 40%, с учетом экстраполяции данных МЭА до 2050 г. - примерно на 74% с 10,4 млрд т у.т. (без учета ресурсов для неэнергетичесих целей) до 18,1 млрд т у.т. Добыча и разведка не обеспечат такого прироста первичных ресурсов, чтобы удовлетворить возросшие потребности. Самый значительный рост энергопотребления будет происходить на транспорте.
В то же время, экономное, эффективное потребление энергии уже сегодня могло бы обеспечить сокращение потребления ископаемого топлива до 40%. Применение энергоэффективных (ЭЭ) технологий в электроэнергетике позволяет обеспечить около четверти эффекта, транспорт - 20% и максимальную долю - до 40% эффекта дает промышленность. Следовательно, в первую очередь необходимо развивать транспортные и промышленные энергетические технологии.
Мировым сообществом разработана методология прогнозирования мировой энергетики в рамках блока моделирования мировой энергетики комплекса SCANER (рис.1).
Рис.1 блок моделирования мировой энергетики комплекса SCANER
Основой такого подхода являются: ретроспективные показатели спроса на энергоресурсы по видам топлива, секторам потребления, динамика ВВП и численность населения; сценарии темпа роста ВВП и населения, энергетической политики государства и НТП. В этом подходе существует несколько блоков: блок оценки ресурсов газовый, нефтяной, угольный модули, модули ВИЭ, атомной энергетики; модуль прогнозирования спроса – промышленного, транспортного, населения и пр.
Между экономикой и энергетикой существует прямая связь. Именно энергетика определяет не только себестоимость продукции, но сам характер развития цивилизации рис.2).
Рис.2 Динамика изменения доли затрат на энергию в глобальном ВВП
Если на долю всех энергетических емкостей приходится более 10% ВВП, государство обречено на деградацию, тупиковый вариант развития. Мы достигли как раз этого уровня. И если не предпринять соответствующих мер по модернизации энергетики, дальнейшее развитие цивилизации по объективным причинам не представляется возможным.
Вторым показателем эффективности энергетики являются капитальные затраты и себестоимость энергетики (табл.1).
Табл.1 Капитальные затраты и себестоимость традиционной энергетики и различных видов ВИЭ
Если государство не осуществляет определенные преференции, не вкладывает средства в развитие ВИЭ, то их стоимость всегда будет выше, не сможет конкурировать с традиционной углеводородной энергетикой. При сегодняшних вкладах в мировое развитие ВИЭ, стоимости традиционной углеводородной энергетики и ВИЭ к 2030 г. могут сравняться. Дело в том, что вырабатываемая ВИЭ энергия имеет низкую плотность, к тому же это производство небезопасно. Солнечная энергетика приводит к изменению климата, перераспределению теплового потока Земли, ветровая – воздействует на окружающую среду шумом и инфразвуком, перераспределением воздушных потоков и т.д.
Плотность потока энергии наиболее перспективных ВИЭ:
Основной объем добываемого сырья используется для производства вторичных энергоносителей. Как топливо используется 85% получаемого газа, 80% угля и около 80% нефти. По прогнозу до 2050 г. произойдет следующее перераспределение: газ как топливо будет использовать на 60%, уголь останется на том же уровне, использование нефти в качестве топлива уменьшится до 40%. Если посмотреть на мировое потребление энергоресурсов до 2020 г., нефть по-прежнему будет преобладающей. Доля традиционной энергетики по прогнозу к 2050 г. будет составлять до 60%.
Рис. 3 Прогноз динамики энергопотребления в XXI в.
Существующие технологии на сегодняшний день себя исчерпали. Дальнейшее наращивание мощностей обречено на отрицательные результаты. На рубеже 2050 г. доля инновационной энергетики будет составлять 30%, а в 2070-2080 гг. примерно половину (рис.3). Но даже на такую далекую перспективу традиционная энергетика будет по-прежнему использоваться.
По данным Гринпис и МЭА (рис.4) львиная доля в мировом энергетическом балансе с 2020 г. отводится солнечной энергии.
Рис.4 Мировой энергетический баланс по данным Гринпис и МЭА
Ядерная энергетика, по их прогнозам, перестанет существовать с 2045 г. С моей точки зрения, наоборот, это будет этап нового подъема, связанного с ядерной энергетикой, построенной на иных принципах. Останется достаточно значительным вклад биомассы, ветровой энергетики и т.д.
Более реальный прогноз структуры энергопотребления выглядит следующим образом (рис.5).
Рис.5 Прогноз структуры энергопотребления
Не стоит переоценивать т.н. сланцевую революцию, лоббируемую определенными экономическими и политическими кругами в США. Сланцевое производство является технологически очень вредным. Срок службы скважины не превышает 5-10 лет. Для получения 1000 м3 газа, требуется около 1 т песка и несколько тонн воды. Следовательно, рядом со скважинами должны быть огромные песчаные карьеры и водоемы. Не всё так просто в сланцевой энергетике, как её пытаются представить миру.
На рис.6 показана структура потребления первичных энергоресурсов до 2050 г. с моей точки зрения это наиболее реальный прогноз, где присутствует и нефть с 20%, и газ с 16%, и уголь - 27%. Тенденции уменьшения добычи и использования угля не просматривается. По поводу ядерной энергетики 7% ядерной энергетики возможны при условии, что не будет разработан ядерный синтез. Хотя специалисты считают 2040-2050 г. станут стартом нового безопасного вида ядерной энергетики.
Рис.6 Структура потребления первичных энергоресурсов
Как оценивают долю и рост каждого вида энергетики специалисты? По оценкам МЭА, установленная мощность ГеоТЭС вырастет с нынешних 11 до 43 ГВт к 2050 г. (0,4 % установленной мощности). Рост установленной мощности всех ГЭС по МЭА составит с 922 ГВт в 2007 г. до 1681 ГВт к 2050 г. (до 8-10% установленной мощности). Рост потребления биомассы в производстве первичной энергии вырастет с 1,7 млрд т у.т. (2007 г.) до 2,6 млрд т. у.т. к середине столетия. В электроэнергетике рост мощностей на основе биомассы составит с 46 ГВт до 244 ГВт (652 ГВт) к 2050 г. или в пределах 2,3% (5,6%) от общей установленной мощности. В транспортном секторе биотопливо вырастет с нынешних 50 млн т у.т. до 270 (400) млн т у.т. (около 10% от объема потребляемого топлива). Общее потребление топлива в транспортном секторе составит 5,4 млрд т у.т.
По оценкам Гринпис, потребление энергии за счет солнечных коллекторов может составить 1,3 млрд т у.т. к 2050 г. (нынешнее производство - 13 млн т у.т. на 2007 г.)
На возобновляемые источники все вместе взятые будет приходиться не более 20-23% установленной мощности.
Интерес к созданию альтернативных видов топлива обусловлен тремя факторами: 1. альтернативные виды топлива, как правило, экологически безопасны с момента их использования (но не получения), при горении обеспечивают меньше выбросов, которые усиливают смог, загрязнение воздуха и способствуют глобальному потеплению; 2. большинство альтернативных видов топлива производится из неисчерпаемых, возобновляемых ресурсов и запасов; 3. использование альтернативных видов топлива позволяет любому государству повысить энергетическую независимость и безопасность.
Энергетически независимых государства в мире на сегодняшний день всего 4, в том числе РФ и США. Альтернативные виды топлива характеризуются рядом отличий:
Для того чтобы производство и применение альтернативных моторных топлив было эффективным, необходимо выполнение следующих условий:
На сегодняшний день существует порядка 20 видов альтернативного топлива. 10 из них являются предпочтительными:
Доля альтернативных источников топлива в общем объеме потребления к 2020-2030 г. не будет превышать 23%. Исполнительный директор Международного энергетического агентства Нобуо Танака заявил, что в 2030 г. 60% электроэнергии будет вырабатываться за счет возобновляемых источников энергии. Ранее он предсказывал, что доля одной только солнечной энергетики в электрогенерации к 2050 г. составит 20-25%. Пока же доля ВИЭ не превышает 7%.
Один из самых сложных вопросов применительно к энергетической отрасли является разработка электроэнергетических технологий. На рис.7 представлен топливный баланс электроэнергетики до 2050 г.
Рис.7 Топливный баланс электроэнергетики
При выборе типа электрогенерации решение принимается исходя из следующих факторов:
В мировой энергетике намечается тенденция децентрализации энергетических объектов. Единый энергетический комплекс страны является экономически нецелесообразным. Речь может идти о районировании или децентрализации размещения энергетических объектов.
В зависимости от источника энергии (вида топлива) все электростанции до 2050 г. будут задействованы следующим образом:
В мире в настоящее время эксплуатируется 441 энергетический реактор общей мощностью 374,633 ГВт. (цифры не абсолютные, + - 10). Дополнительно строится ещё 60 энергоблоков. В нашей стране функционирует 10 АЭС установленной мощностью 23,2 ГВт. Строится около 6 энергоблоков.
Какие новые решения можно ожидать в атомной энергетике?
Все трагические случаи, которые произошли в атомной энергетике, на самом деле являются свидетельством её высочайшей надежности. При стечении неграмотных действий при проектировании, эксплуатации, степень гибели обслуживающего персонала, связанная непосредственно с ядерным циклом, минимальна. Утверждения о низкой безопасности ядерной энергетики в принципе не верно.
Прогнозированием развития ядерных технологий в XXI в. занимался ряд известных ученых. Н.Н.Пономарев-Степной представил три этапа развития ядерных технологий:
Перспективная ядерная энергетика в большей степени будет основана на синтезе.
Проблемными областями с точки зрения эффективности энергетики являются: транспорт (20%), промышленность (40%) и электроэнергетические системы (40%).
Мировой автопарк на сегодня насчитывает около 900 млн ед. Приблизительно 30% приходится на грузовые автомобили, 70% - на легковые машины и автобусы. Прогнозируется увеличения автотранспорта к 2050 г. примерно в15 раз. Каждый год в мире производится 40-45 млн автомобилей, из них 25 млн заменяют выводимые из эксплуатации транспортные средства, а 20 млн составляют ежегодный прирост мирового автопарка. В среднем один автомобиль потребляет 2,2 т бензина (дизтоплива) в год. Таким образом, весь мировой автопарк потребляет порядка 2 млрд т топлива, на производство которого в зависимости от глубины переработки требуется от 6 до 8 млрд т нефти.
Необходимость усовершенствования автомобильных энергоустановок в настоящее время определяются двумя важнейшими социально-экономическими проблемами:
Среднесрочными перспективными разработками являются автомобили с комбинированными энергоустановками на базе двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работающего на водородном топливе, синтезируемом на борту АТС. К дальнесрочным проектам следует отнести автомобили с энергоустановками на базе различных топливных элементов.
Рис.8 Сравнительная оценка влияния альтернативных видов топлива на экологические показатели автомобильного двигателя
Одним из ограничивающих факторов при выборе ТЭУ являются экологические проблемы. Минимальный выброс отработавших газов приходится на водородное топливо. Все остальные дают значительные выбросы окиси азота, CH, CO. Сравнительная оценка влияния альтернативных видов топлива на экологические показатели автомобильного двигателя с принудительным воспламенением показана на рис.8 (1 – бензин; 2 – бензин + продукты его конверсии; 3 – бензин + Н2; 4 – сжиженный нефтяной газ; 5 – сжатый природный газ; 6 – метанол; 7 – метанол +Н2; 8 – синтез – газ (Н2 + СО); 9 – водород (Н2).
По экологическим показателям переход на водородное топливо предпочтителен. Повысить эффективность и экологическую безопасность автотранспортных тепловых двигателей возможно следующим образом:
Перспективными для автомобильного транспорта считаются следующие технологии:
Для других видов транспорта перспективны технологии:
По оценкам МЭА (WEO 2009), потребление энергии для отопления вырастет с нынешних 4,8 млрд т у.т. на 25% к 2030 г. (5,9 млрд т у.т.) и на 48% к 2050 г. (7 млрд т у.т.) (учитываются не только здания). Эта проблема займет одно из основных мест. Рост потребления ископаемого топлива для нужд отопления вырастет с 3,6 млрд т у.т. до 4,5 млрд т у.т. к 2030 г. и до 5,3 млрд т у.т. к 2050 г. Таким образом, по оценкам МЭА произойдет рост удельных затрат на отопление на одного жителя планеты.
По оценкам Гринпис, к 2030 г. рост потребления тепла вырастет на 12% и стабилизируется на уровне 5,3 млрд т у.т. к 2050 г. Объем потребления ископаемого топлива упадет с 4,8 млрд т у.т. до 1,5 млрд т у.т. В технологическом плане, по оценкам Гринпис, роль ТЭЦ снизится за счет децентрализованных способов получения тепла (переход на теплоаккумуляторы, ТНУ, солнечные коллекторы). Удельное потребление энергии в системе отопления жилья, по оценкам Гринпис, к 2050 г. снизится на 30% на человека. Это снижение не затронет уровня комфорта населения.
К 2020 г. планируется масштабное строительство «умных» домов, предполагающих нулевую потребность в энергии извне (рис.9). «Умные» дома обеспечат сами себя за счет регулирования подачи тепла для решения проблемы «перетопа» зданий (системы автоматического регулирования подачи тепла, в том числе со снижением подачи тепла в нерабочее время в офисных помещениях); горизонтальной разводки отопления; установки тепловых насосов и теплоаккумуляторов. Здания будут самоокупаемые. Скандинавские страны отдают предпочтение топливным насосам. Такие страны как Израиль, Бразилия отдают предпочтение солнечной энергетике.
Рис.9 Здания с нулевым потреблением энергии
Считается, что около 15% электроэнергии тратится на освещение. Для уменьшения потерь энергии на освещение наиболее перспективными считаются мощные сверхяркие светодиоды. Но ими генерируются электромагнитные поля, вредные для человека. К перспективным технологиям также относят:
С целью проверки предприятий на предмет расходования различных ресурсов и энергоносителей в России было введено энергетическое обследование - энергетический аудит. В 2009 г. был принят Федеральный закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности». В результате энергетического обследования должен составляться энергетический паспорт предприятия/организации. Но данный закон не требует внедрения на предприятиях современных энергосберегающих технологий. А повышение эффективности и энергосбережение сводится лишь к выявлению возможностей их реализации с отражением в энергетическом паспорте, не являясь обязательным для исполнения. Функции по проведению энергоаудита возложены на частные компании. Существующий порядок энергетического обследования не стимулирует промышленные предприятия к внедрению энергосберегающих технологий, а сам закон об энергосбережении превратился в очередную декларацию. За три года действия ФЗ № 261 не удалось сократить потребление энергоресурсов на 9% (по 3% ежегодно) ни в энергетике, ни в промышленности, ни в ЖКХ [1]. Действенный энергоаудит промышленных предприятий в государственном масштабе необходим российской экономике для оптимизации её энергобаланса.
Между энергопотреблением и уровнем ВВП всегда существует зависимость (рис.10). Только Россия, при достаточно высоком энергопотреблении, имеет минимальный уровень ВВП. Это говорит о том, что вся энергогенерирующая область у нас не эффективна. Для улучшения энергоэкономического баланса нам необходимо при прежнем ВВП в 2 раза уменьшить энергопотребление, либо повысить энергопотребление и в разы увеличить ВВП. Наиболее реальный вариант для удвоения ВВП связан с экономией энергии.
Только за счет воздушной передачи электроэнергии мы теряем до 25% электроэнергии. Во всем мире от такого способа передачи давно отказались.
Рис.10 Взаимосвязь между уровнем ВВП и душевым энергопотреблением
Рис.11 Прогноз роста ВВП для двух сценариев развития экономики России
Избавиться от сырьевой структуры экономики России можно масштабным увеличением выпуска продукции с высокой добавленной стоимостью:
Продукция с высокой добавленной стоимостью:
Автомобили более 10000$/тнэ
Одежда более 5000 $/тнэ
Бытовая электроника более 12000 $/тнэ
ТЭС более 8000 $/тнэ
АЭС более 12000$/тнэ
Жилье более 6000$/тнэ
Продукция с низкой добавленной стоимостью
Нефть менее 800$/тнэ
Природный газ менее 600 $/тнэ
Электричество менее 500$/тнэ
Удобрения примерно 1500$/тнэ
Черные металлы примерно 1500$/тнэ
Алюминий менее 1000 $/тнэ
Никель менее 1500 $/тнэ
Целлюлоза древесная менее 1500 $/тнэ
Пока же общий экспорт энергии в нашем энергетическом балансе составляет примерно 65% (рис.12), что не позволяет говорить об эффективности отечественной экономики и настоятельно требует проведения системных исследований по выбору перспективной энергетики на XXI век.
Рис.12 Энергетический баланс России
Литература 1. Е.Р.Дубровин, И.Р.Дубровин, Какой энергетический аудит нужен стране сегодня, www.proatom.ru, 29.01.2013
Размещено 17.05.2013.
Статьи других авторов
На главную
