Энергия

Энергия

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

1.1 ЭНЕРГИЯ СЕГОДНЯ

1.2 ПОТРЕБНОСТИ В ЭНЕРГИИ

1.3 ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ

1.4 ИЗМЕНЕНИЯ В ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИИ И ЭНЕРГОПРОИЗВОДСТВЕ

1.5 ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ И ЭНЕРГОПРОИЗВОДСТВО БУДУЩЕГО

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ СЕГОДНЯ И ЗАВТРА

2.1 СПРОС НА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ

2.2 СНАБЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ

2.3 ТОПЛИВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ СЕГОДНЯ

2.4 РЕСУРСЫ ДЛЯ БУДУЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

2.5 ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

2.6 СРАВНЕНИЕ УГЛЯ И УРАНА

2.7 ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Единственное использование неоружейного урана осуществляется лишь в

мощных ядерных реакторах. Во всем мире сегодня эксплуатируются более 1000

ядерных реакторов:

. Приблизительно 280 малых реакторов используются для научных

исследований и производства изотопов для медицины и промышленности.*

. Более 400 реакторов приводят в движение морские суда, главным образом,

атомные подводные лодки.

. Более 430 мощных реакторов используются для производства

электроэнергии.

|*Австралия имеет только один исследовательский действующий реактор, |

|который будет заменен в 2005 году. Канада имеет несколько малых |

|исследовательских реакторов в университетах и два малых реактора, |

|предназначенных для производства изотопов, которые находятся в стадии |

|строительства. |

Фактически весь уран, производимый сегодня, идет на производство

электроэнергии (хотя незначительное его количество используется для

создания радиоизотопов). Его использование в этих целях уже конкурирует с

углем и с природным газом.

Более чем за 40 последних лет ядерная энергия стала одним из главным

источников электроэнергии в мире. Сейчас вклад ядерной энергетики в мировое

производство электроэнергии составляет 16 процентов, что эквивалентно

полному производству электроэнергии "тринадцатью Автралиями" или "пятью

Канадами". Ядерная энергия может внести вклад и намного больший, особенно

если по экологическим соображениям она будет признана экономически более

выгодной и этически желательной. А Австралийский и Канадский уран будет

необходим для того, чтобы снабжать топливом часть этого мирового

производства электроэнергии.

Дебаты вокруг урана, ядерной энергетики и иных способов производства

электроэнергии говорят нам о том, что ни один из них не обходится без

некоторого риска или побочных эффектов

После первого издания этой книги в 1978 многие из оптимистических

прогнозов относительно альтернативных источников энергии оказались

совершенно нереалистичными (также как и некоторые прогнозы относительно

ядерной энергии). Однако, важно понять, что возвращение к действительности

не должно привести к их полному пренебрежению. Альтернативные источники

энергии должны и дальше исследоваться и применяться там, где они

соответствуют своему назначению. В особенности большой эффект может быть

достигнут при правильном согласовании расположения, масштаба и

термодинамических характеристик источников энергии со специфическими

энергетическими потребностям. Такие действия должны иметь более высокий

приоритет по сравнению с прямым увеличением производства "высокосортной"

электроэнергии в условиях, где требуется только "низкосортная" теплота..

Всякий раз, когда вопрос об использовании ядерной энергии возникает

вновь, появляются такие, кто желал бы поместить джина обратно в бутылку и

вернуться к эпохе "до ядерной невинности". Такие настроения становятся

преобладающими и в Австралии, потому что эта страна никогда не использовала

ядерную энергию. Австралия, вероятно, единственная развитая страна, в

которой, жители не получают никакой доли "ядерного электричества". Заметим,

что Франция вырабатывает 75 процентов всей электроэнергии только за счет

своей ядерной энергетики. Это самый крупный в мире экспортер

электроэнергии, получающий почти пять миллиардов долларов в год от такого

экспорта. По соседству - Италия, одна из индустриальных стран без каких-

либо работающих атомных электростанций. Это самый крупный в мире импортер

электроэнергии, большая часть которой поступает из Франции.

Весь Австралийский и Канадский уран продается исключительно на мирное

использование, преимущественно для производства электроэнергии. Ничего не

идет на изготовление оружия - это гарантированно международными мерами

безопасности.

И я надеюсь, что наши следующие поколения будут смотреть на ядерное

оружие скорее как на начальную "болезнь роста" ядерного века, чем как на

главную его характеристику (что было характерно для бронзового и железного

веков).

При написании этой книги были предприняты значительные усилия, чтобы

учесть все многообразие современной информации о производстве

электроэнергии с помощью ядерных установок. Приводимые в книге данные и

цифры являются общепризнанными, и обобщения не нарушают строгости нашего

исследования. Читатель не увидит на страницах многих из часто повторяемых

утверждений сторонников или противников ядерной энергетики. В книге мы не

будем обсуждать и социальные проблемы. Начиная с первого издания, намерение

авторов состояло в том, чтобы отойти от споров, от предвзятого подбора

аргументов, а представить только факты относительно энергетических

потребностей человечества и как они могут удовлетворяться, в том числе и

ядерной энергией. Текст был полностью проверен экспертами, которые несут

ответственность перед обществом за свой профессионализм. Четвертое издание

книги для школ и населения было подготовлено в рамках совместной

Австралийской и Канадской инициативы и это сотрудничество продолжается до

сих пор.

[pic]

Рисунок 1. Расход органического топлива

Мы не можем неограниченно использовать органическое топливо с таким темпом,

как мы делаем это сегодня.

Каждый способ производства и преобразования энергии оказывает влияние

на окружающую среду и несет определенные риски. Ядерная энергетика не

исключение, но ее влияние часто неправильно истолковывается, а риски

излишне завышаются. Ядерная энергия остается безопасным, доступным и

экономичным источником электроэнергии.

Настоящее 6-ое издание этой книги выходит в то время, когда нарастает

беспокойство за непрерывное загрязнение среды, усиливается недоверие к

науке и технике, "демонизируется" ядерная энергетика. Это беспокойство

обусловлено с одной стороны появляющимися доказательствами увеличения

глобальных температур, вызванных сжиганием органического топлива, а с

другой стороны - Чернобыльской катастрофой 1986 года. Во введении к первому

изданию этой книги в 1970-ых выражалось мнение, что, если большие усилия

направлять в обеспечение безопасности и эффективности коммерческой ядерной

энергетики, и, соответственно, меньшие в идеологические сражения с теми,

кто желал бы видеть мир без нее, мировое сообщество значительно выиграло бы

материально. После трагического опыта Чернобыля и последовавших

существенных изменений в оценке безопасности ядерных объектов, появившихся

сегодня возможностях рециркуляции оружейного урана для производства

электроэнергии, кажется, что сегодня мы наиболее близки к такому состоянию

дел.

Глава 1

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

1.1 ЭНЕРГИЯ СЕГОДНЯ

1.2 ПОТРЕБНОСТИ В ЭНЕРГИИ

1.3 ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ

1.4 ИЗМЕНЕНИЯ В ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИИ И ЭНЕРГОПРОИЗВОДСТВЕ

1.5 ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ И ЭНЕРГОПРОИЗВОДСТВО БУДУЩЕГО

1.1 Энергия сегодня

Вся потребляемая энергия приходит к нам, в конечном счете, или от

солнца или из недр земли. Солнце согревает нашу планету, снабжает требуемым

светом и теплом растения для роста. В далеком прошлом солнце таким же

образом снабжало нашу планету энергией. Эта энергия преобразовывалась в

растения, поддерживала жизнь животных. Благодаря этому мы получаем сегодня

уголь, нефть и природный газа - так называемые органические топливные

ресурсы, от которых существенно зависит наша цивилизация.

Единственный альтернативный источник энергии не органического

происхождения, находящийся в земле, - это атомы некоторых элементов,

которые сформировались задолго до появления солнечной системы. Они

находятся сегодня в земной коре *.

|* Уран, содержащийся в земной коре, сформировался приблизительно 6.5 |

|миллиардов лет назад, и его концентрация в среднем составляет 0.14 %. |

|Теплота от радиоактивного распада этого урана сегодня управляет |

|процессами конвекции в земной коре. |

Количество энергии на единицу массы атома зависит от размера атома:

минимальное количество энергии на единицу массы содержится в атомах средних

размеров (таких как углерод и кислород), в то время как большее количество

содержится в малых атомах (таких как водород) или больших (таких как уран).

Энергия поэтому может быть получена либо путем соединения малых атомов в

атомы средних размеров (синтез), либо путем деления больших атомов на атомы

средних размеров (расщепление). Освоение человечеством энергии синтеза и

энергии расщепления является одним из наиболее важных достижений последнего

столетия.

Начиная с 1970-ых годов, было много написано о надвигающемся "мировом

энергетическом кризисе", который обычно связывают с кризисом

нефтедобывающей промышленности. Рисунок 1 во Введении очень наглядно

иллюстрирует важное значение сохранения ископаемых топливных ресурсов для

будущих поколений.

Хотя с 1970-ых годов и проводится политика сохранения природных

запасов сырой нефти, тем не менее, лет через 50 все ресурсы органического

топлива кроме угля будут исчерпаны. Уголь к тому времени займет ту же роль,

какую нефть занимает сегодня, особенно в качестве ценного химического

сырья.

Большое значение сохранения органических источников энергии очевидно

даже в областях, где пока их использование достаточно дешево. Постепенное

выравнивание энергетических потребностей в развитых странах за последнее

десятилетие является результатом увеличения производства энергии. Однако,

непрерывный рост энергетических запросов в развивающихся странах постоянно

увеличивает расход природных ресурсов планеты, несмотря на стремление к их

сохранению.

Многие люди в развивающихся странах стремятся к уровню жизни,

характерному для развитых стран. Осуществление этих надежд зависит от

доступности энергетических ресурсов. Рост населения земли от сегодняшнего

уровня в 6 миллиардов к прогнозируемому в 7.5 миллиардов в 2020 году

значительно увеличит потребности в энергии.

1.2 Потребности в энергии

Энергетические потребности индустриальных стран определяются тремя

основными факторами:

. Коммунальное хозяйство и торговля

. Промышленность и сельское хозяйство

. Транспорт

Во многих странах каждая из этих позиций составляет примерно одну

треть всех энергетических потребностей, хотя размер коммунального

потребления существенно зависит от климатических особенностей страны. В

Австралии, например, внутренние потребности относительно малы, а в Канаде

несколько больше из-за более холодного климата.

Более определенно можно говорить о специфических потребностях, если

учитывать следующие факторы:

. Требуется ли для снабжения теплом населения и производственных

процессов вода с температурой до 110 °C.

. Требуется ли для снабжения теплом населения и производственных

процессов вода с более высокой температурой (более чем 110 °C).

. Каковы потребности в освещении.

. Каково энергопотребление в производстве.

. Насколько развит общественный и частный транспорт.

Некоторые из них удовлетворяются поставками электрической энергии,

потребность в которой во всем мире постоянно растет (см. ниже раздел 2.1).

Таблица 1.

Производство электроэнергии

Тераватт часы (TВтч, или миллиард кВтч)

| |1987|1997|Темпы роста |

| | | |за последние |

| | | |десять лет |

|Все страны, входящие в "Организацию |6232|8839|42 % |

|экономического сотрудничества и развития" | | | |

|Все страны, не входящие в "Организацию |4368|5110|17 % |

|экономического сотрудничества и развития" | | | |

|Во всем мире |1060|1394|32 % |

| |0 |9 | |

|Страны, не входящие в "Организацию | | | |

|экономического сотрудничества и развития" | | | |

|Страны бывшего СССР |1660|1234|-17 % |

|Африка |280 |399 |42 % |

|Латинская Америка |542 |688 |27 % |

|Азия (исключая Китай) |613 |1053|72 % |

|Китай |497 |1163|134 % |

|Ближний Восток |197 |366 |86 % |

1.3 Производство энергии

Многообразие существующих сегодня источников энергии можно разбить на

три основные категории:

. Возобновляемые источники энергии: древесина и некоторые зерновые

культуры, пригодные для производства, например, этилового спирта или

метанола.

. Невозобновляемые источники энергии: уголь, газ и нефть (органические

топливные ресурсы), уран и торий (энергия расщепления), тритий и

дейтерия (энергия синтеза) *.

. Возобновляемые естественные источники энергии: солнечная теплота и

свет, энергия ветра, энергия океанских волн, энергия течения рек,

геотермальное тепло, океанские температурные градиенты.

|* Если дейтерий (тяжелый водород) будет когда-либо использован для |

|реализации устойчивой реакции синтеза, то большие количества этого |

|элемента, находящегося в морской воде, делают его практически |

|безграничным энергетическим ресурсом. Поэтому его можно классифицировать|

|как возобновляемый источник энергии (см. также 2.4). |

Эти основные энергоисточники позволяют получать следующие

энергоносители:

. Электроэнергия, которая может быть получена от многих основных

источников.

. Водород, который получают, главным образом, электролизом воды.

. Этиловые спирты, получаемые из древесины и других растительных

материалов.

. Бензин и газ, которые получают из нефти и угля.

На сегодняшний день важнейшее значение для человечества имеет

электроэнергия, хотя и водород имеет перспективы играть существенную роль в

будущем.

Многие энергетические потребности могут быть удовлетворены более чем

одним видом энергоносителя. Например, теплота может производиться либо с

помощью любого органического топлива, либо с помощью электроэнергии, либо с

помощью энергии солнца. Энергоноситель для транспорта (бензин, керосин и

проч.) может быть получен из нефти или газа. В будущем, возможно, водород

здесь займет главную роль.

Экономическая целесообразность подразумевает, что источники энергии

типа нефти и ее производных должны не использоваться там, где они могут

быть замещены более подходящим топливом.

Основные энергетические ресурсы Австралии и Канады показаны в Таблицах

2A и 2B. Австралия имеет большие природные запасы угля и урана, и намного

меньшие нефти и газа. Это находит свое отражение в торговле энергетическими

ресурсами. Обе страны импортируют нефть и экспортируют уголь и уран. Канада

имеет большие природные запасы урана, который составляет важную часть ее

экспорта, наряду с углем и газом.

Таблица 2A.

Энергетическое состояние Австралии*

(Петаджоули - 1015 Джоулей)

| |Экономические |Полный расход|Торговля |

| |ресурсы (ПДж) |1997-78 |1997-78 |

|Каменный уголь |1 323 000 |1 374 |4 617 |

| | | |(экспорт) |

|Бурый уголь |398 000 |630 |2 (экспорт в |

| | | |брикетах) |

|Нефть |15 650 |1 657 |421 (импорт) |

|Сжиженный нефтяной газ |4 611 |7 |148 (экспорт)|

|Природный газ |53 040 |860 |412 (экспорт)|

|Уран (для легко-водных |444 000 |- |3 015 |

|реакторов) | | |(экспорт) |

|Гидроэлектроэнергия | |56 | |

|Древесина и прочее | |226 | |

| |Всего |4 810 |8 615 |

| | | |(экспорт) |

|* Таблица не включает большое количество солнечной энергии, используемой|

|внутри страны. Например, Австралийская солевая промышленность использует|

|приблизительно 1000 ПДж в год на производство соли естественным |

|испарением воды, что составляет, примерно, 2/3 всей энергии, |

|вырабатываемой в стране с помощью нефти. |

Таблица 2B.

Энергетическое состояние Канады*

(Петаджоули - 1015 Джоулей)

| |Экономические |Полный расход|Торговля |

| |ресурсы (ПДж) |1998 |1998 |

|Уголь: антрацит и |120 000 | |517 |

|битуминозный | | |(экспорт) |

|Уголь: весь | |1271 | |

|Уголь: подбитуминозный и |76 000 | | |

|лигнит | | | |

|Нефть |53 200 |4 098 |1 832 |

| | | |(экспорт) |

|Природный газ |74 400 |2 646 |3 356 |

| | | |(экспорт) |

|Уран (для легко-водных |255 000 | |4 137 |

|реакторов) | | |(экспорт) |

|Уран (для реакторов |332 000 |780 | |

|CANDU) | | | |

|Гидроэлектроэнергия | |1 085 |99 |

| | | |(экспорт) |

|Другие | |569 | |

| |Всего |10 449 |9 941 |

| | | |(экспорт) |

1.4 Изменения в энергопотреблении и энергопроизводстве

Распределенность энергетических ресурсов на планете означает, что с

ростом их потребления, увеличивается и роль международной торговли в этой

сфере. Энергетически бедные страны становятся зависимыми от поставок

энергоносителей странами, богатыми энергоресурсами. Из-за фундаментального

значения энергии для экономики, такие страны-импортеры становятся уязвимыми

как с политической так и с экономической точек зрения.

Наглядная иллюстрация этого - существенное изменение роли нефти. До

начала 1970-ых годов многие страны пришли к зависимости от импорта нефти из-

за ее относительно низкой цены, а мировое производство нефти выросло втрое

за период с 1960 по 1973 годы. Внезапное, почти четырехкратное повышение

цен на нефть привело к тому, что в 1979 году разразился "нефтяной кризис".

В результате, мировое потребление нефти в 1986 году осталось таким же, как

и в 1973, несмотря на существенное увеличение полного энергопотребления в

мире. Прогнозы же 1972 года предсказывали двойное увеличение потребления

нефти через десять лет (т.е. к началу 1980-ых годов).

Япония, например, имеет незначительные собственные запасы угля, нефти

и гидроэнергоресурсов. Это означает, что без увеличения импорта нефти она

не в состоянии покрыть три четверти своих потребностей в энергии. Даже США,

имеющие собственные запасы нефти, сталкиваются с трудностями по оплате

импорта необходимого количества нефти, покрывающего снижение собственного

производства.

Проблемы с ценами на нефть и ее поставками в 1970-ых годах

стимулировали более активное использование других энергетических ресурсов:

. Увеличилась добыча угля и международная торговля углем для частичного

замещения использования нефти.

. Увеличился интерес к использованию ядерной энергии в энергодефицитных

странах.

. Во всех странах стали более внимательно рассматривать вопросы снижения

потребление энергии.

. Более серьезное внимание стали уделять возобновляемым источникам

энергии.

Эти тенденции продолжились и в 1990-ых годах. Во всем мире происходит

значительное снижение энергозатрат в экономике. Сокращено использование

нефти для производства электроэнергии. Увеличилось использование природного

газа. Исключение составили лишь надежды некоторых государств на внесение

существенного вклада в производство энергии от возобновляемых источников.

Следствием тенденций, порожденных нефтяным кризисом, явилось

уменьшение потребления энергии на единицу валового национального продукта

на 1.3% в странах, членах OECD (Организация экономического сотрудничества и

развития), и это, как ожидается, будет иметь место и для других

развивающихся странах в будущем. Однако, в то же самое время потребление

электроэнергии на единицу валового национального продукта постоянно растет,

что отражает ее постоянно возрастающую роль практически во всех странах.

Роль электроэнергии увеличивается потому, что она является чрезвычайно

мобильным энергоносителем, который может быть произведен при использовании

самого различного топлива, может быть легко доставлен потребителям по

линиям электропередач. В настоящее время производство электроэнергии

составляет 40 % от производства всей энергии в мире.

Электроэнергия уникальна с точки зрения приведения в действие машин и

механизмов, освещения предприятий и домов. Она используется для получения

тепла и для других целей, где традиционно используются иные альтернативные

способы. С одной стороны, можно согласиться, что ввиду низкой эффективности

превращения любой энергии в электрическую (КПД обычно 30-35 процентов)

использование, например, природного газа должно быть более предпочтительным

везде, где требуется получение тепла (эффективность в этом случае вдвое

больше)*. С другой стороны, можно согласиться, что урановые и угольные

ресурсы, которых намного больше газовых, должны применяться везде, где это

возможно, и что использование произведенного таким образом электричества

для получения тепла будет более желательным, несмотря на больший расход

топлива. Большинство людей считают, что солнце самый обильный источник

энергии в мире и с радостью использовали бы его энергию не только для

получения тепла, но и для крупномасштабного производства электроэнергии.

Вопросы, связанные с преобразованием солнечной энергии в электрическую

обсуждаются более подробно в разделе 2.4.

|* Принимая во внимание всю цепочку энергетических затрат, начиная от |

|добычи до окончательного использования, получаем, что эффективность газа|

|и нефти для производства тепла (КПД) составляет приблизительно 40-45 %. |

|Для современных газовых печей высокой производительности это значение |

|увеличивается до значений, близких к 70 %, но сильно зависит от |

|удаленности газовых месторождений. |

В следующих главах подробно рассматриваются вопросы потребления и

производства электроэнергии. Особое внимание уделяется использованию

ядерной энергии для производства электроэнергии. Основное ядерное топливо -

это уран - металл, который в настоящее время не имеет фактически никаких

других гражданских приложений. Однако, прежде чем мы обратимся к этой теме,

важно обсудить некоторые вероятные будущие тенденции в мировом

энергопроизводстве и энергопотреблении более подробно.

1.5 Энергопотребление и энергопроизводство будущего

Как мы будем удовлетворять свои энергетические потребности в будущем?

Здесь имеется некоторая неопределенность:

. Производство нефти было максимальным в 1979 году и до 1994 года не

возвращалось к этому уровню. Издержки производства по существу

остались на уровне 1973 года. Цена на нефть в значительной степени

зависит от политических факторов.

. Производство природного газа, при увеличивающихся сегодня темпах,

вероятно, приблизится к своему пику в многих странах через пару

десятилетий.

. Затраты на добычу угля постоянно возрастают, а его использование

приводит к повышению глобальных температур на планете (парниковый

эффект).

. Имеется неопределенность по реализации ядерных программ во многих

странах.

. Имеются существенные ограничения в практическом использовании

возобновляемых энергетических ресурсов,

. Дальнейшие возможности энергосбережения ограничены без радикальных

перемен в образе жизни в развитых странах, и фактически исчерпаны в

развивающихся странах.

До начала 1970-ых годов мировые энергетические потребности легко и

дешево удовлетворялись нефтью и природным газом всякий раз, когда

энергопотребление имело тенденцию превышать энергопроизводство. Однако,

после 1973 года, когда возникли серьезные сомнения относительно

беспредельной доступности нефти, многие индустриальные страны стали

разрабатывать иные стратегии своего развития, предполагающие гораздо

большее использование ядерной энергии.

Решение будущих задач энергопроизводства на основе использования

возобновляемых источников энергии оказалось непрактичным. Их

непостоянность, высокая стоимость, недостаточный уровень технологического

развития существенно ограничивает их потенциал.

Несмотря на все эти неопределенности, стратегическое планирование в

сфере энергопроизводства должно обеспечивать будущие потребности. Для этого

планирование должно базироваться на темпах прироста населения, темпах

экономического и социального развития и доступности энергоресурсов (что

касается и их цен).

Мировое потребление энергии устойчиво растет на протяжении многих

десятилетий. Даже после временного повышения цен на нефть в 1973 году и

последующего экономического спада, мир продолжает использовать все большее

количество энергии каждый год и можно ожидать, что так будет и в будущем.

Хотя темпы роста никогда, по-видимому, не будут столь же высоки, как до

1973 года, очевидно, что экономический рост происходит в большинстве наций

и увеличение энергопотребления является неизбежной частью этого роста.

Население земного шара, как ожидается, достигнет к 2020 году 7.5

миллиардов, что также будет способствовать росту энергопотребления. Быстро

возрастающие потребности в питьевой воде во многих частях нашей планеты

(например, в Северной Африке и странах Персидского залива) должны

удовлетворяться развитием опреснительных систем, которые также увеличат

потребности в энергии.

[pic]

Рисунок 2

Если принять все эти факторы во внимание, то окажется, что минимальный

рост энергопотребления в будущем мире будет составлять 1.5 - 2.0 процента в

год. Для достижения даже такого уровня ежегодного роста требуется как

расширение традиционных способов производства энергии, так и продолжение

усилий по энергосбережению и увеличения эффективности использования

энергии. Повышение эффективности использования энергии позволит на основе

существующих ресурсов производить с большим КПД полезную работу, свет и

теплоту чем это было до настоящего времени.

Начиная с 1970-ых годов, экономические факторы ограничивали

энергозапросы, что привело к беспрецедентному увеличению эффективности

использования энергии в промышленности и транспорте, по крайней мере, в

странах, членах OECD. Прогнозируемое потребление энергии в этих странах

увеличится незначительно, в то время как, в развивающихся странах, как

ожидается, оно будет расти очень быстро.

Потребление электроэнергии возрастает намного быстрее, чем полное

энергопотребление. Там, где за период с 1980 по 2020 годы потребление всей

энергии удвоится, потребности в электроэнергии возрастут в три и более раза

за тот же самый период (сравните рисунки 2 и 5).

В 1998 году Мировой энергетический совет (IASA) опубликовал прогноз

мирового потребления электроэнергии на 2020 год в 20000 ТВт (14000 ТВт в

1997 году). Прогноз был сделан на основе сегодняшних моделей потребления

энергии и предположения о сравнительно медленном прогрессе развивающихся

стран (другие сценарии развития дают значения от 16000 до 23000 ТВт).

Будущие возможности энергосбережения существенно зависят от того, в

каком секторе экономики они используются. Там, где энергия существенно

используется в индустриальных процессах или на транспорте, главные шаги по

повышению эффективности и снижению затрат уже предприняты. Но там, где

энергетические затраты относительно менее существенны (в коммунальном

хозяйстве, например), имеется намного больше возможностей для дальнейшего

развития возможностей энергосбережения.

Энергосбережение очень трудно прогнозировать. Для большей его

эффективности требуется постоянный учет будущих перспектив более высоких

энергетических затрат. В большой степени это зависит от образа жизни,

который все более и более ориентируется на энергосбережение. Несмотря на

популярные идеи охраны окружающей среды, гораздо больший приоритет в мире

имеют идеи удобного и комфортного проживания.

Таблица 3

Теплотворная способность различного топлива и коэффициенты выброса CO2

| |37-39 |МДж/л | | |

|LPG |49 |МДж/кг |81 |59 |

| | | | |г/МДж|

|Природный газ |39 |МДж/м3 |76 |51 |

| | | | |г/МДж|

| |55 |МДж/кг | | |

|Каменный уголь (NSW и Qld) |21.5-30 |МДж/кг |67 |90 |

| | | | |г/МДж|

|Каменный уголь (SA и WA) |13.5 - 19.5 |МДж/кг | | |

|Каменный уголь (Канадский |27.0 - 30.5 |МДж/кг | | |

|битуминозный) | | | | |

|Каменный уголь (Канадский |18 |МДж/кг | | |

|подбитуминозный) | | | | |

|Бурый уголь (в среднем) |9.7 |МДж/кг |25 | |

|Бурый уголь (Loy Yang) |8.15 |МДж/кг | |1.25 |

| | | | |кг/кВ|

| | | | |т |

|Древесина (сухая) |16 |МДж/кг |42 |94 |

| | | | |г/МДж|

|Естественный уран (в |500 |ГДж/кг |- |- |

|легко-водных реакторах) | | | | |

|Естественный уран (в |650 |ГДж/кг |- |- |

|легко-водных реакторах с U и| | | | |

|Pu повторного цикла) | | | | |

|Естественный уран (в CANDU) |650 |ГДж/кг |- |- |

|Естественный уран (в |28000 |ГДж/кг |- |- |

|реакторах на быстрых | | | | |

|нейтронах) | | | | |

|Уран, обогащенный до 3.5 % |3900 |ГДж/кг |- |- |

|(в легко-водных реакторах) | | | | |

Глава 2

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ СЕГОДНЯ И ЗАВТРА

2.1 СПРОС НА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ

2.2 СНАБЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ

2.3 ТОПЛИВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ СЕГОДНЯ

2.4 РЕСУРСЫ ДЛЯ БУДУЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

2.5 ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

2.6 СРАВНЕНИЕ УГЛЯ И УРАНА

2.7 ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

2.1 Спрос на электроэнергию

Спрос на электроэнергию в индустриальном обществе определяется

многообразием источников его потребления, включая:

Промышленность

. предприятия, работающие в непрерывном режиме 24 часа в сутки.

. предприятия, работающие 8-10 часов по будним дням.

Торговлю

. большая часть предприятий, работающих по 10-15 часов в будние дни.

Общественный транспорт

. работающий в течение дня и вечером.

Дома и коммунальное хозяйство

. отопление или кондиционирование, главным образом в течение дня и

вечера.

. приготовление пищи (утром и вечером).

. изменение уровня подачи воды и потери тепла, особенно в течение ночи.

Как следует из перечисленных факторов, уровень потребления

электроэнергии колеблется в течение суток, в течение недели и в течение

смены сезонов. Эти колебания различны в разных районах, в разных странах и

зависят как от климатических условий, так и от многих других факторов.

Примерный средне-суточный график нагрузки для электросетей показан на Рис.

3. Заметим, что базовая нагрузка составляет приблизительно 60% от

максимальной нагрузки в течение типичного буднего дня.

Соответствие реальной базовой потребности и количества непрерывно

производимой электроэнергии - ключевой фактор в любой энергетической

системе. Каждый потребитель должен надежно получать необходимую ему

электроэнергию.

Аналогично ежедневным и еженедельным колебаниям в потреблении

электроэнергии существуют изменения в картине потребления из года в год.

Поэтому при прогнозировании уровня потребления электроэнергии на

десятилетия и более, необходимо принимать во внимание такие факторы как:

. Сезонные колебания потребления, связанные, например, с летним

кондиционированием воздуха.

. Постоянно увеличивающаяся электрификация общественного транспорта.

. Возможная электрификация частного транспорта, или его переход на

водородное топливо, производимое с помощью электролиза.

. Использование солнечной энергии, заменяемой электроэнергией в течение

периодов неблагоприятной погоды.

. Влияние факторов, увеличивающих непиковое потребление электроэнергии.

. Практический эффект от использования энергосберегающих технологий.

. Целесообразное использование малогабаритных возобновляемых источников

электроэнергии.

. Потери при генерации и транспортировке электроэнергии.

. Изменение потребностей промышленности.

. Развитие новых способов передачи электроэнергии на большие расстояния

(пятьдесят лет назад расстояние в 600 км было максимально возможным

для эффективной передачи электроэнергии, а с 1960-ых новые технологии

допускают уже передачу более чем на 2000 км).

Некоторые из этих факторов влияют на полное потребление

электроэнергии, в то время как другие определяют относительное значение

базисного потребления. Экономика требует, чтобы потребности в энергии

удовлетворялись, насколько это возможно, из базисного уровня производства

электроэнергии, с возможным подключением в некоторых случаях резервных

возобновляемых источников.

2.2 Снабжение электроэнергией

Из-за больших флуктуаций в потреблении электроэнергии в течение дня,

необходимо иметь несколько типов электростанций, покрывающих как базисные и

промежуточные, так и пиковые нагрузки. Базисные нагрузки обычно

компенсируются крупными электростанциями на уровне их номинальной мощности.

В Австралии, например, это тепловые электростанции, работающие на

органическом топливе, в то время как в Канаде это комбинация атомных

электростанций, гидроэлектростанций и тепловых электростанций. Станции для

снабжения промежуточных и пиковых нагрузок должны выравнивать общие

нагрузки в сети при нескольких включениях в течение суток. Для этих целей

используются различные методы и устройства, включая газовые турбины,

паровые котлы, работающие на жидком топливе, гидроэлектростанции.

Оборудование для компенсации пиковых нагрузок характеризуется низкой

стоимостью основных средств, и относительно высокой стоимостью топлива.

Станции же для базисного снабжения электроэнергией разрабатываются таким

образом, чтобы минимизировать стоимость топлива, а относительно высокая

стоимость основных средств может быть скомпенсирована доходами от

производства и продажи энергии в течение нескольких лет.

Самую дешевую электроэнергию потребитель получает в том случае, когда

возрастание пиковой нагрузки очень мало, и установившийся базисный уровень

потребления достаточен для бесперебойных поставок энергии. Однако, любая

действующая система энергоснабжения должна учитывать возможные аварийные и

профилактические остановки оборудования. Базисные электростанции в Виктории

(Австралия), например, составляют более половины всех генерирующих

мощностей и производят более 85 процентов полного производства

электроэнергии. Примерно одна третья часть генерирующих мощностей

используется для компенсации промежуточных нагрузок в течение суток.

Пиковые нагрузки компенсируются имеющимся небольшим резервом энергии в

моменты значительного увеличения потребления электроэнергии. Система

энергоснабжения в Виктории достаточно типична для многих развитых стран.

Стоимость оборудования электростанций пиковой нагрузки, типа газовых

турбин, примерно в два раза ниже стоимости базовых станций, работающих на

угле. Кроме того, такие станции достаточно быстро строятся и вводятся в

эксплуатацию. Однако, стоимость газового топлива намного дороже стоимости

угля, затраченного на единицу произведенной энергии. Использование

современных газотурбинных установок, имеющих более высокую эффективность,

может уменьшить это различие. В местах, где позволяют географические

условия местности, можно создавать запасы воды в водохранилищах и

использовать ее для производства электроэнергии с помощью

гидроэлектростанций для компенсации пиковых нагрузок. Стоимость таких

станций может быть столь же низка как и стоимость электростанций,

использующих газовое топливо, а их эксплуатация позволит увеличить

продолжительность вклада базовых станций в общую нагрузку электрической

сети.

[pic]

Рисунок 3. График нагрузки Викторианской (Австралия) электросети

График нагрузки Викторианской (Австралия) электросети в течение одного

зимнего буднего дня. Показаны относительные вклады пиковой, промежуточной и

базовой нагрузки. Форма кривой заметно изменяется в соответствии с

характером потребления электроэнергии: пики отражают увеличение потребления

в течение дня, связанное с необходимым отоплением помещений. Заметим, что

при базисном потреблении приблизительно в 4100 МегаВатт, общее производство

электроэнергии должно иметь резерв, по крайней мере, на 50 % больше этой

величины. Последнее может быть обеспечено дополнительной электростанцией с

промежуточной загрузкой мощности или регулируемым выходом мощности основной

электростанции. Максимальные нагрузки обычно компенсируются дополнительными

гидро- или газо-турбинными генераторами. Конкуренция на рынке

производителей электроэнергии, несомненно, может способствовать принятию

более оптимальных решений при определении необходимых источников

дополнительной энергии в моменты пиковых нагрузок.

Различные способы рационального использования базисных электростанций

дают им возможность работать в соответствии с нагрузкой в сети, варьируя

свою выходную мощность. Как и в других отраслях промышленности, в

производстве электроэнергии действуют свои экономические законы. Большие

паровые энергоблоки уменьшают себестоимость произведенной электроэнергии,

особенно если они используются на базисных электростанциях. Их

местоположение, как правило, определяется вблизи источников топлива и

Страницы: 1, 2