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.