Энергия

охлаждающих водоемов. Однако, большие электростанции требуют для их

эффективной эксплуатации протяженных линий транспортировки электроэнергии и

возможностей ее преобразования. Следовательно, имеется достаточно много

условий, при которых экономические достоинства мелкосерийных газовых

генераторных станций будут преобладающими.

2.3 Топливо для производства электроэнергии сегодня

В этой книге рассматриваются преимущественно вопросы производства

электроэнергии в индустриально развитых странах и густонаселенных областях

Северной Америки, Восточной Европы и Азии. В этих странах топливная

генерация электроэнергии составляет более 40 % от полного количества

магистральных поставок. Австралия в этом смысле "удачная" страна из-за

наличия больших открытых месторождений угля вблизи главных городских

центров в восточных штатах. Это дало возможность разместить основные

электростанции вблизи угольных месторождений и, таким образом,

минимизировать экономические потери на транспортировке больших количеств

угля. Энергетические потери при передаче электроэнергии также относительно

низки.

Канада имеет богатые запасы органических и гидро топливных ресурсов на

большей части своей территории. Однако, эти ресурсы в значительной степени

истощились в провинции Онтарио к середине 1970-ых, и с того времени ядерная

энергетика стала главным источником электроэнергии в Онтарио. Однако,

многие густонаселенные части планеты, такие как Япония, многие районы

Европы и Северной Америки не так удачно расположены относительно

месторождений органического топлива. Высокая плотность населения и темпы

индустриализации ограничивают привлекательность угля не только по

соображениям его стоимости, но и с точки зрения загрязнения окружающей

среды (см. также главу 6). Поэтому желательные требования к топливу,

используемому для производства электроэнергии в густонаселенных и

индустриально развитых странах, могут быть представлены следующим образом:

. Топливо должно быть относительно дешевым, и давать дешевую энергию.

. Если топливо не может быть расположено вблизи электростанции, то оно

должно представлять собой сконцентрированный источник энергии, который

можно экономно транспортировать и надежно запасать.

. Топливо не должно иметь дефицита ресурса и альтернативных вариантов

применения (простое сжигание или химические превращения).

. Отходы от применения топлива должны утилизироваться таким образом,

чтобы они производили минимум загрязнения окружающей среды и исключали

влияние и на глобальное потепление планеты.

. Топливо должно быть безопасным, как при обычной эксплуатации, так и в

аварийных случаях.

Из трех основных видов топлива (уголь, газ и уран), которыми

располагает человечество для производства электроэнергии, уран наиболее

удовлетворил бы этим критериям, особенно в тех случаях, когда уголь и газ

необходимо транспортировать на очень большие расстояния. Национальная

энергетическая стратегия многих стран во многом зависит от имеющихся у них

природных ресурсов, от экономической целесообразности импортирования

топлива (или электроэнергии) и уровня индустриализации. Энергетически

богатая страна, такая как США, имеет возможность выбора. Однако, даже в

США, необходимость транспортировки угля в больших количествах и на большие

расстояния значительно сказывается на стоимости электроэнергии. Более того,

не далек тот день, когда уголь вообще перестанет быть главным источником

энергии. Япония, не имеющая природных энергетических ресурсов, почти

полностью полагается на импорт энергии. Когда-то удобным импортируемым

топливом была нефть, и энергетические потребности страны существенно

зависели от нее, включая и производство электроэнергии. В настоящее время

для этих целей все более чаще используется уголь, но стоимость доставки его

намного больше. Ядерное топливо имеет значительные преимущества. Во-первых

его не так много требуется, и во-вторых затраты по транспортировке

незначительны. Могут быть легко накоплены стратегические запасы. Кроме

того, цена ядерного топлива менее подвержена колебаниям, чем угля. В

Австралии условия энергоснабжения изменяются от штата к штату. Восточные

штаты страны, например, имеют большие резервы угля. Запад и Юг Австралии

имеют относительно меньшее количество угля, но большие запасы газа и

пониженный спрос на электроэнергию. В настоящее время почти 60 процентов

электроэнергии, потребляемой Югом Австралии и половиной Запада Австралии,

получают сжиганием газа.

Канада - страна богатая энергетическими ресурсами и условия их

использования меняются от одного побережья до другого. В Британской

Колумбии, Манитобо и Квебеке в большей степени используются

гидроэнергетические ресурсы, чем это делается, например, в Онтарио. Уголь

активно используется в Луге и на Атлантическом побережье, хотя и в меньшей

степени, чем в наиболее развитых странах. В Онтарио выбор сделан на ядерную

энергетику, производящую более 60 процентов электроэнергии. В Квебеке и

Новом Брансуике также частично используют ядерную энергию. Рисунок 4

иллюстрирует, каким образом производят электроэнергию в некоторых странах,

включая Австралию и Канаду.

Во всех странах потребности в электроэнергии постоянно увеличиваются

(примерно на 3-4 % каждый год). Из диаграммы видно, что уголь является

основным видом топлива в США и Европе, и намного меньше используется в

Японии и Канаде. В этих странах в настоящее время примерно одна треть всей

электроэнергии вырабатывается на ядерных реакторах. Отражением мировых

перспектив в добыче природных ресурсов является то, что замещаемое топливо,

используемое в каждой стране, постепенно вытесняет все более недостаточную

и, следовательно, довольно дорогую нефть. Это наиболее очевидно и остро

наблюдается в Японии. Россия также заметно снизила свою зависимость от

нефти в производстве электроэнергии за последние 25 лет, и увеличила вклад

ядерной энергетики в энергообеспечение страны.

2.4 Ресурсы для будущего производства электроэнергии

При рассмотрении нашего будущего, уходящего за 2010 год, возникает

несколько практических вопросов, которые нельзя упускать. Один из них -

масштаб времени. Принятие решений сегодня об остановке относительно крупных

базисных электростанций, означает, что реально они могут быть выведены из

эксплуатации лишь через пять-десять лет. Можно даже ожидать, что срок их

службы будет продлен до 40 лет. Таким образом, сегодняшние инвестиционные

решения относительно больших электростанций не могут существенно изменить

действующие системы энергоснабжения страны, по крайней мере, в течение двух

или трех десятилетий. Британские ядерные программы 1950-ых годов, например,

были рассчитаны на два десятилетия, чтобы достичь прироста электроэнергии

всего на десять процентов. Даже газовые турбины, которые можно вводить в

эксплуатацию в течение двух лет, и которые являются все более и более

популярными, реально не смогут в короткие сроки изменить систему

энергоснабжения страны. Если же рассматривать использование и внедрение

новых технологий, еще только проектируемых, требуемое время растянется до

двух, трех десятилетий. Следовательно, многие технологии, используемые

сегодня, будут неизбежно актуальны еще в течение нескольких десятилетий.

Другой практический вопрос имеет отношение к размерам. В некоторых

случаях малое предпочтительнее большого, а при низких трудовых затратах,

оказывается эффективнее.

[pic]

Рисунок 4

[pic]

Рисунок 5

В горнодобывающей промышленности и производстве электроэнергии,

однако, реальные размеры электростанций и сопутствующих объектов определяют

и экономические показатели. Там где масштабы сокращаются, стоимость единицы

продукции непреклонно увеличивается. Строительство стандартных

электростанций крупного масштаба неизбежно в урбанизированных и

индустриальных странах, где большие запросы в электроэнергии

сконцентрированы в малых областях.

Таким образом, существование этих двух проблем, первой - достаточно долгого

срока разработки и внедрения новых технологий, и второй - необходимости

строительства крупномасштабных объектов, требуют осторожной оценки будущих

тенденций в производстве электроэнергии, гарантирующих удовлетворение

постоянно растущих потребностей. Кроме того, используемые технологии должны

полностью соответствовать поставленным задачам. Поэтому вопрос состоит в

том, как из существующего многообразия способов производства электроэнергии

выбрать наиболее подходящие для конкретного места в конкретное время. Какие

же здесь есть варианты?

Энергосбережение: Один из вариантов заключается в использовании

меньшего количества энергии и строгом ее сохранении, преимущественно путем

увеличенная энергоотдачи. Этот подход может быть применен как ко многим

приложениям в развитых странах, так и к новым энергетическим объектам во

всех странах. Если бы США, Великобритания и Япония могли бы, например,

использовать меньшее количество электроэнергии, то это позволило бы вывести

из эксплуатации электростанции, работающее на жидком топливе, в двух из

этих стран, и заметно уменьшить его использование в третьей. Проблемы

энергосбережения подробно рассмотрены в разделе 1.5. Заметим, что такой

подход, однако, дает больший эффект на уровень потребления полной энергии

чем на фактический уровень производства электроэнергии, и приводит к

увеличению доли использования электроэнергии в картине полного

энергопотребления.

Нефть: В 1994 нефть обеспечивала 11 % всего производства

электроэнергии, и значительное количество нефти все еще используется

сегодня, даже для базисного производства энергии в некоторых странах

(Рисунок 4). Нефть - уникальный источник энергии с точки зрения его

энергоемкости и сравнительной простоты транспортировки. Кроме того, как

нефть, так и газ имеют важные применения в нефтехимической промышленности в

качестве исходного сырья для производства пластических масс и

фармацевтических изделий. Использование продуктов переработки нефти для

производства электроэнергии в местах рационального расположения иных

топливных ресурсов неэффективно. В Австралии и Канаде, например, нефть

используется для производства электроэнергии лишь в областях, отдаленных от

ресурсов природного газа и каменноугольных бассейнов, и в относительно

небольших масштабах.

Природный газ: Использование природного газа в Австралии для

производства электроэнергии заметно увеличилось начиная с 1970-ых годов, а

в Канаде его использование, начиная с 1985 года, хотя и удвоилось, но все

еще дает небольшой общий вклад в производство энергии (не более 3 %). В

целом, однако, газ имеет довольно большое значение для производства

электроэнергии в мире. В 1994 году его доля в мировом производстве

электроэнергии составляла около 14 %, и этот вклад непрерывно

увеличивается. Использование газа приводит к меньшим выбросам углекислого

газа в атмосферу, чем использование угля, и поэтому в некоторых странах

одобрено его применение для базисного производства энергии с постепенным

замещением угольного топлива. Природный газ - незаменимый и полезный

ресурс. Его можно выкачивать из земли, легко и экономно транспортировать в

трубопроводах на большие расстояния, подводить к отдаленным населенным

пунктам, где его использование может быть очень эффективным (до 90 % с

учетом потерь при транспортировке). Газ может быть превращен в жидкость для

отгрузки морским транспортом (например, Япония и Корея получают газ именно

таким способом). Кроме того, газ - ценное химическое сырье, используемое

для производства различных товаров. Это означает что крупномасштабное

использование этого топлива для производства электроэнергии там, где менее

доступны альтернативные способы, может привести к серьезным проблемам.

Возможно наши внуки будут сожалеть, что их предки не были настолько

прозорливы чтобы ограничить в свое время использование газа на планете и

оставить хоть какую-то часть им. В любом случае исключительная роль

природного газа как топлива для производства энергии, так или иначе,

приведет к повышению его стоимости в будущем и он, вероятно, станет менее

конкурентоспособным для базисного производства электроэнергии.

Уголь: Из всех видов топлива для базисного производства

электроэнергии, уголь в настоящее время наиболее важен. Уголь играет

определяющую роль в снабжении энергией большинства стран и в настоящее

время дает 39 % всей электроэнергии в мире. Современные угольные

электростанции стали более эффективными чем в прошлом, и при небольших

дополнительных затратах их влияние на окружающую среду, вызванное сжиганием

углей с высоким содержанием серы, может быть значительно уменьшено (см.

также Главу 6). Добыча угля на больших карьерах обходится довольно дешево,

но затраты на его транспортировку на большие расстояния делают этот вид

топлива менее привлекательным. Если большие количества угля, добытые в

одном месте, отправляются поперек континента или через океан в другое место

(например, из Австралии или Канады в Японию или Европу), то транспортировка

приводит к таким затратам, что стоимость получаемой электроэнергии

становится слишком высока. Подобно нефти и газу, уголь имеет важные

применения не только в качестве топлива. Углерод, например, содержащийся в

угле, необходим в больших количествах для выплавки металлов. Хотя природные

ресурсы угля довольно большие, вопросы его сохранения сегодня становятся

все более и более важными.

Уран: Единственным топливом, которое может стать реальной

альтернативой для базисного производства электроэнергии, является в

настоящее время уран. В то время как горнодобывающая промышленность

производит и обрабатывает большие количества руды, две или три 200 литровые

бочки двуокиси урана (U308 ) содержат достаточно энергии для обеспечения

таких больших городов как Торонто или Сидней. Урановое топливо очень

компактно и имеет огромные преимущества с точки зрения охраны окружающей

среды (см. Главу 6). Противники уранового топлива часто утверждают, что по

сравнению с углем, использование ядерного топлива имеет слишком много

нерешенных проблем. Заметим, однако, что уже прошло более сорока лет с

момента запуска первого коммерческого реактора, и более половины столетия с

того момента, как люди научились управлять цепной реакцией ядерного деления

(см. Главу 3).

За это время в мире накоплен огромный эксплуатационный опыт работы

коммерческих реакторов, составляющий приблизительно 9500 реакторо-лет, и

примерно такой же опыт эксплуатации аналогичных (но несколько меньших)

ректоров, используемых в морском флоте. Сегодня в эксплуатации в 32 странах

мира находятся более 430 ядерных реакторов, которые дают 16 % мирового

производства электроэнергии.

Большое количество атомных электростанций находятся сейчас в стадии

строительства. Во многих странах удовлетворены надежностью, безопасностью и

экономическими характеристиками ядерной энергии по сравнению с углем или

нефтью (см. также раздел 2.6 и Главу 6). Во многих странах по крайней мере

третья часть потребляемой электроэнергии производится на ядерных реакторах.

Франция, например, сегодня производит три четверти своей электроэнергии на

ядерных реакторах и является мировым лидером в ее экспорте. В Таблице 5

приведены различные типы ядерных реакторов, используемых в настоящее время

для генерации электричества. Атомные электростанции CANDU, например, лучше

других используют ресурсы ядерного топлива, и могут функционировать на

разновидностях низко обогащенного топлива, включая топливо, отработанное на

других типах реакторов. Реакторы на быстрых нейтронах (см. раздел 4.4)

имеют возможность значительного увеличения выхода электроэнергии при

использовании известных резервов урана. Исключая военное использование и

использование в энергетических установках на морских судах, уран не имеет

никаких других применений кроме как для производства электроэнергии и

создания медицинских и промышленных изотопов. По крайней мере, 95% мировой

добычи урана идет сегодня в производство электроэнергии. Потенциал ядерной

энергии, использующей уран в качестве топлива для генерации электричества,

наиболее важен для развитых стран, которые имеют большие потребности в

электроэнергии.

Сегодняшние атомные электростанции имеют энергоблоки мощностью от 500

до 1300 МегаВатт (МВт). Энергоблоки меньшей мощности экономически

нецелесообразны. Однако, в некоторых развивающихся странах потребности в

электроэнергии не столь велики и либо не требуют больших генерирующих

мощностей, либо используют часть вырабатываемой энергии в других целях,

например, в опреснительных установках. В этих случаях, где базисные

потребности в электроэнергии удовлетворяются традиционными

электростанциями, работающими на жидком топливе, экономически более

целесообразно использование реакторов с мощностью в 100 МВт.

Ядерный синтез: Коммерческое использование ядерного синтеза все еще

является нашей будущей надеждой. Аналогично поиску способов использования

солнечного света, человечество в течение долгого времени пытается приручить

процессы, происходящие на Солнце, которые дают свет и тепло Земле. Эти

процессы называют термоядерным синтезом (в отличие от процессов ядерного

расщепления, см. Главу 3). Один из способов для достижения управляемого

термоядерного синтеза состоит в слиянии ядер дейтерия и трития (тяжелых

изотопов водорода) при очень высоких температурах - приблизительно 100

миллионов градусов. Пока не существует надежных методов стабильного

поддержания таких высоких температур. Однако, интенсивные исследования в

этом направлении постоянно продолжаются, особенно в США, Японии, Европе и

России, и, возможно, в следующей половине нынешнего столетия энергия,

выделяемая при термоядерном синтезе, будет использоваться для производства

электроэнергии. Будущие технологии термоядерного синтеза стали бы наиболее

подходящим инструментом для обеспечения энергией крупных городов и

индустриальных областей. Дейтеривым топливом относительно богата морская

вода, а тритий может быть получен или из лития, или произведен в ядерных

реакторах с замедлителем из тяжелой воды. Почти безграничная энергия стала

бы нам доступна, если бы была достигнута управляемая реакция синтеза двух

ядер дейтерия, но протекание такой реакции требует намного более высоких

температур, чем реакция слияния трития и дейтерия. Управляемый синтез

обыкновенных ядер водорода (как это происходит на солнце), кажется

маловероятным для достижения его на Земле, поскольку условия протекания

такой реакции "сверхэкстремальные". Большое преимущество всех этих реакций

- это совершенно незначительное количество радиоактивных отходов. К

недостаткам следует отнести высокую стоимость проектов, высокую стоимость

производства газа трития и высокий уровень наведенной радиоактивности в

конструкциях термоядерных установок.

2.5 Возобновляемые источники энергии

Технологии, направленные на использование сил природы для выполнения

работы, удовлетворяющей человеческие потребности, столь же стары, как и

первое парусное судно. Имеется фундаментальная привлекательность в

использовании таких природных сил, которые оберегают окружающую среду от

эффектов горения органического топлива. Солнце, ветер, волны, реки,

биомасса, потоки геотермальной теплоты земли действуют непрерывно и всегда

(отсюда и термин "возобновляемый"). Из всего перечисленного пока только

энергия падающей воды в реках получила широкое распространение для

преобразования в электроэнергию.

Основное применение солнечной энергии, благодаря фотосинтезу,

человечество нашло в сельском хозяйстве и лесоводстве, хотя все чаще ее

начинают использовать для отопления.

Биомасса (например, остатки сахарного тростника) сжигается для

получения энергии, увеличивается использование зерна для получения

автомобильного топлива. Масштабы использования других видов природной

энергии в настоящее время незначительны. Имеются и первостепенные задачи в

сегодняшнем использовании возобновляемых источников энергии. Для

фотоэлектрических систем, например, это вопрос - как сделать их

самовозбуждающимися генераторами электричества. Для использования природной

теплоты, - как преобразовать ее в пар или как применить другие способы

преобразования энергии.

Если фундаментальное свойство возобновляемости источников энергии

состоит в их доступности и относительно широкой распространенности, то

фундаментальная проблема в их использовании для производства электроэнергии

состоит в их нестабильности и недостаточной предсказуемости*.

|*Исключение составляет геотермальная энергия, которая не |

|широко доступна. |

Это означает, что должны существовать либо дублирующие источники

электроэнергии, либо способы ее накопления в больших масштабах. Однако,

кроме накопления гидроэнергии в водохранилищах или сжатого воздуха в

резервуарах (см. ниже), в настоящее время никакого другого способа не

существует и не просматривается в будущем. Для автономных систем вопросы

аккумулирования энергии являются первостепенными. При подключении их к

существующим электросетям, возникает вопрос дублирующих источников. В

использовании энергии солнца для крупномасштабного и особенно базисного

производства электроэнергии имеются небольшие возможности.

Солнечная энергия: "Солнечный - не ядерный" - популярный лозунг

представителей анти-ядерного движения в защиту окружающей среды и многих

"технологических оптимистов", ратующих за прямое использование солнечного

тепла, продолжает еще иногда звучать. Конечно, в будущем, возможно, мы

будем видеть большее количество солнечных батарей на крышах домов,

поскольку их цена снижается, а мы более рационально используем энергию, что

способствует более широкому их распространению. Однако, для генерации

электричества солнечная энергия имеет ограниченный потенциал, поскольку она

непостоянна и непредсказуема. Во-первых, потоки солнечной энергии

прерываются в ночное время и при облачной погоде. Это приводит к достаточно

низкому коэффициенту использования солнечной энергии, обычно менее 15

процентов. Во-вторых, коэффициент преобразования современными

фотоэлементами солнечной энергии в электрическую не превышает 12-16

процентов, и его до сих пор его не удается увеличить, хотя исследования в

этой области ведутся уже более нескольких десятилетий. *

|*В Австралии в погожий солнечный день на поверхность земли, |

|ориентированную перпендикулярно к солнечным лучам, попадает до одного |

|килоВатта энергии на квадратный метр. В Канаде эта величина оказывается |

|намного меньшей. На большей части ее территории, на горизонтальную |

|поверхность площадью в один квадратный метр, попадает в среднем не более|

|одного килоВатт часа солнечной энергии в течение дня. |

В настоящее время внимание сфокусировано на двух способах

преобразования солнечной энергии в электрическую. Более всего известен

метод, использующий фотоэлементы для генерации электричества. Этот метод

имеет большое значение, например, для обеспечения энергией космических

аппаратов, оборудования систем связи отдаленных узлов телесети в Австралии

и Канаде. Популярность фотоэлементов была бы тем выше, чем выше была бы их

эффективность и ниже стоимость (на сегодняшний день стоимость фотоэлементов

составляет примерно 4000 долларов США на один килоВатт вырабатываемой

мощности). Стоимость фотоэлементов все еще слишком высока для бытового

использования. Для автономных систем должны обязательно использоваться

некоторые способы хранения собранной энергии в течение темного времени

суток или облачности. Это могут быть или аккумуляторные батареи, или

водород, произведенный электролизом, или сверхпроводники. В любом случае, в

дополнительные стадии превращения энергии необходимо вовлекать процессы с

неизбежными энергетическими потерями, понижающие общий КПД, и значительно

увеличивающие затраты. Несколько экспериментальных солнечных электростанций

мощностью от 300 до 500 кВт включены в электросети Европы и США. В научных

учреждениях продолжаются исследования в направлении уменьшения размеров

фотоэлементов и увеличения их эффективности.

Другое главное направление исследований - разработка экономных

способов хранения энергии, которая выработана фотоэлементами в течение

светового дня. Солнечная тепловая электростанция имеет систему зеркал для

концентрации солнечного света на специальный поглотитель, в котором

выделяющееся тепло преобразуется в пар высокого давления и приводит в

движение турбины. Концентратор - это обычно параболический отражатель,

который ориентируется между севером и югом, прослеживает путь солнца в

течение дня. Поглотитель расположен в фокусе этого отражателя и использует

солнечную энергию для нагревания специальной жидкости (обычно это

синтетическое масло) до температуры порядка 400 градусов Цельсия. Эта

жидкость далее управляет турбиной и генератором. В настоящее время

несколько таких электростанций с мощностью энергоблоков 80 МВт находятся в

эксплуатации. Каждый такой модуль занимает площадь примерно в 50 гектаров

земли и требует очень точных систем управления. Солнечные электростанции

дополняются модулями, работающими на газе, которые производят около

четверти полной вырабатываемой мощности и сохраняют рабочий режим в течение

ночи. В середине 1990-ых годов такие станции с суммарной мощностью более

чем 350 МВт произвели во всем мире примерно 80 % электроэнергии, полученной

от солнца. В будущем основная роль солнечной энергии будет состоять в ее

прямом использовании для отопления.

Наибольшая энергетическая потребность людей - это потребность в тепле,

например, в горячем водоснабжении с температурой не более 60 градусов

Цельсия. Более высокие температуры требуются в промышленности (в диапазоне

60 - 110 градусов Цельсия). Эти потребности в совокупности определяют

пропорции энергетического потребления в индустриальных странах. Первая

потребность уже сегодня может быть удовлетворена в некоторых областях за

счет использования солнечного света и тепла. Коммерческое использование

солнечной энергии для снабжения теплом промышленных объектов, по-видимому,

будет возможно в недалеком будущем. Практическая реализация такого подхода

снизит в некоторой степени потребление электроэнергии, уменьшит расход

органического топлива и благоприятно скажется на охране окружающей среды. А

если использовать тепловые насосы с надлежащей изоляцией, то можно также

отапливать (или охлаждать) здания с очень небольшими затратами энергии. В

конечном счете, до десяти процентов полной потребляемой энергии в

индустриальных странах может быть получено при рациональном использовании

солнечного света и тепла. Это частично уменьшит необходимый уровень

базисного производства электроэнергии.

Энергия ветра: В течении многих десятилетий в отдаленных районах

используются ветряные турбины для бытовой генерации электричества и

подзарядки аккумуляторных батарей. Генерирующие модули мощностью больше чем

1 МВт теперь функционируют во многих странах. Производимая ветряной

турбиной мощность электроэнергии пропорциональна скорости ветра в третьей

степени, и многие турбины эффективно работают при скорости ветра

приблизительно 7 - 20 метров в секунду (или 25 - 70 км/час). На земном шаре

не так много районов, имеющих такие преобладающие ветры. Подобно солнечной

энергии, использование энергии ветра требует дополнительных дублирующих

источников электроэнергии или систем аккумулирования энергии на случай

более спокойной и безветренной погоды. В настоящее время ветряные турбины,

работающие в различных частях мира, имеют общую мощность около 15000 МВт.

Они являются ценным дополнением к крупномасштабным базисным

электростанциям. Дания, например, получает 10 % своей электроэнергии от

энергии ветра и, находясь в зависимости от импорта электроэнергии, намерена

увеличивать эту долю. Наиболее экономичными и практичными являются ветряные

коммерческие модули мощностью более одного МВт, которые могут

группироваться в небольшие ветряные станции.

Реки: Гидроэлектроэнергия, которая является преобразованной

потенциальной энергией воды в реках, в настоящее время составляет 19% всей

мировой электроэнергии (в Австралии 10%, в Канаде 59 %). Кроме нескольких

стран, гидроэлектроэнергия обычно применяется для компенсации пиковых

нагрузок, потому что, во-первых, она может быть оперативно подключена к

действующим электросетям, а во-вторых, запасы воды ограничены. В любом

случае гидроэлектроэнергия не имеет перспектив для использования в будущем,

так как большинство географических районов в мире, имеющих возможности для

использования потенциальной энергии воды, или уже находятся в эксплуатации

или же недоступны по другим причинам (из соображений охраны окружающей

среды, например). Преимущество многих гидросистем состоит в их способности

компенсировать сезонные (также как и ежедневные) максимальные нагрузки в

потреблении электроэнергии. На практике использование запасов воды иногда

усложняется запросами на ирригацию, которые могут происходить одновременно

с пиковыми нагрузками. В некоторых областях географические условия могут

ограничивать использование гидроэлектроэнергии в периоды сезонных дождей.

Геотермальное тепло: В тех районах, где горячий подземный пар может

достигать поверхности земли, его можно использовать для производства

электроэнергии. Такого рода геотермальные источники энергии получили

распространение в некоторых частях мира, например, в Новой Зеландии, в США,

на Филиппинах, в Исландии и Италии. В общей сложности эти источники энергии

сегодня вырабатывают до 6000 МВт мощности. Имеются также перспективы в

использовании этого метода в других районах путем перекачивания горячей

подземной воды в те места, где ее нет.

Приливы: Впервые использование приливной энергии в заливах или устьях

рек было осуществлено во Франции и в России (начиная с 1966 года). Приливно-

отливная вода, движущаяся в обеих направлениях, используется для вращения

турбин. Этот вид энергии может использоваться там, где есть значительные

области с приливно-отливными потоками. В Канаде, например, это залив Фанди

между Новой Скоцией и Новым Брансуиком. Во всем мире эта технология имеет

незначительный потенциал.

Волны: Использование энергии движения волн может дать гораздо больший

эффект, чем приливно-отливная энергия. Возможности практического

использования энергии волн в свое время исследовалась в Великобритании.

Генераторы электроэнергии в этом случае должны располагаться на плавающих

платформах или в полостях прибрежных скальных пород. Высокая стоимость

требуемых устройств и многочисленные практические проблемы делают такие

проекты не реальными.

Отношение возобновляемых источников энергии к базисному потреблению

электроэнергии: Солнце, энергия ветра, приливы и волны не могут заменить

использование угля, газа или ядерной энергии, однако они исключительно

важны для использования в специфических районах земного шара.

По указанным выше причинам перечисленные источники энергии не могут

обеспечить базисные потребности в электроэнергии или компенсировать пиковые

нагрузки, когда это необходимо. Практически они могут дать лишь 10 - 20% от

общей потребности в энергии и никогда не заменят уголь, газ или ядерную

энергию. Однако, они могут стать исключительно важными в специфических

районах земного шара, где для их использования существуют благоприятные

условия.

Проблемы воздействия на окружающую среду сотен огромных ветряных

турбин, занятые и неиспользуемые обширные территории земли или огромные

приливно-отливные заграждения, не говоря уже о новых гидроузлах, являются

существенным ограничением в использовании возобновляемых источников

энергии. Конечно, такие технологии в некоторой степени внесут свой вклад в

будущую мировую энергетику, хотя и не будут нести основной нагрузки на

удовлетворение энергетических нужд планеты. Если человечество найдет в

будущем способы эффективного хранения электроэнергии, получаемой от

солнечных батарей или ветряных генераторов, вклад этих технологий в

удовлетворение базисных энергетических потребностей станет намного

значительней. В некоторых местах в течение времени непиковых нагрузок и

выходных дней избыточная энергия угольных или ядерных электростанций

используется для накопления воды в водохранилищах, которая затем

расходуется гидроэлектростанциями для компенсации пиковых нагрузок. К

сожалению, не так много мест имеют возможности для строительства

подкачиваемых плотин такого рода. Хранение сжатого воздуха в подземных

хранилищах используется пока в гораздо меньшей степени. Способы хранения

больших количеств электроэнергии в гигантских аккумуляторных батареях пока

не разработаны.

При рассмотрении энергоснабжения в целом, имеются некоторые

возможности для реверсирования (переключения) энергопотоков в развитых

странах с их 24-часовыми и 7-дневными циклами для того чтобы удовлетворить

ежедневные пиковые нагрузки. Сегодняшнее оборудование для компенсации

пиковых нагрузок могло бы использоваться в некоторой степени для снабжения

энергией систем, полагающихся в основном на возобновляемые источники

энергии. Эти мощности позволили бы дополнить крупномасштабное производство

энергии солнечными батареями и ветряными турбинами в моменты, когда они не

в состоянии этого делать. Любое реальное использование солнечных батарей

или энергии ветра для производства электроэнергии в энергосети должно

предусматривать наличие 100%-ной дублирующей генерирующей мощности - гидро

или тепловой электростанции. Понятно, что это связано с очень высокими

экономическими затратами, хотя в некоторых местах может стать основой

развития будущей энергетики. Для развивающихся стран с незначительными

базисными потребностями в электроэнергии такой подход, естественно,

неприменим.

Экологические аспекты использования возобновляемых источников энергии:

Возобновляемые источники энергии имеют различный набор качеств с точки

зрения их влияния на окружающую среду и выгоды по сравнению с органическим

или ядерным топливом. К положительным качествам следует отнести тот факт,

что они совершенно не выбрасывают в атмосферу углекислый газ, и не

производят других загрязняющих веществ (кроме некоторых продуктов распада,

образующихся на дне водных резервуаров). Но так как они используют

относительно малоинтенсивную энергию, площадь, занимаемая ими, оказывается

намного большей. Кроме того, физические размеры оборудования, по этой же

причине, оказываются очень большими по сравнению с существующими

высокоинтенсивными источниками энергии. Последнее обстоятельство требует

для изготовления соответствующих конструкций больших материальных и

энергетических затрат. Сомнительно, например, что бы жители Австралии

одобрили воздействие на окружающую среду новых гидросистем в районе Снежных

Гор (дающих, кстати, 3.5 % всей электроэнергии и обеспечивают ирригацию).

Вряд ли будут одобрены и проекты по застройке больших площадей вблизи

городов под электростанции на солнечных батареях, если такие проекты вообще

когда-либо будут сделаны. В Европе, ветряные турбины давно не вызывают к

себе любовь из-за производимого ими шума и по соображениям охраны природы.

Громадные вращающиеся турбины постоянно приводят к гибели большого числа

птиц. Однако, воздействие на окружающую среду может быть минимизировано в

некоторых случаях. Солнечные батареи, например, могут устанавливаться вдоль

автомагистралей, выполняя дополнительную функцию шумоизоляции, или

располагаться на крышах домов. Имеются также отдельные места, где возможна

и безопасная установка ветряных турбин.

2.6 Сравнение угля и урана

Единственными и главными топливными ресурсами для крупномасштабного

производства энергии в течение следующих десятилетий остаются уголь и уран.

В ближайшей перспективе газ будет еще являться эффективным топливом в

некоторых местах на нашей планете, но его большое значение как "прямого

топлива" (т.е. используемого непосредственно для получения тепла) и

вероятность существенного увеличения стоимости, заставляют рассматривать

уголь и уран основным топливом будущего. Выбор между этими двумя

вариантами, вероятно, будет зависеть от конечной стоимости получаемой

электроэнергии и уровня затрат на охрану окружающей среды, которые в

значительной степени зависят от месторасположения энергетических объектов.

В этом разделе мы приведем некоторое общее сравнение между углем и

ураном как основными видами топлива для базисной генерации электроэнергии.

Сопоставления, которые относятся к проблемам сохранения окружающей среды и

охране здоровья населения, более подробно рассмотрены в Главе 6. Различные

количества потребителей вовлечены в процесс превращения энергетических

ресурсов в электроэнергию. Количество электроэнергии, потребляемое одним

человеком в Японии или Северной Европе в течение одного года,* составляет,

примерно, 8000 кВтч.

|*Среднее потребление в индустриальных странах составляет приблизительно |

|9000 кВтч в год (по данным Мирового Энергетического Совета, 2000 год). В|

|Австралии - приблизительно 7500 кВтч в год на одного человека (при учете|

|экспорта энергии и затрат в производстве алюминия). Потребление в Канаде|

|составляет 15500 кВтч в год на одного человека, а в США - |

|приблизительно, 12700 кВтч. |

Использование угля как топлива: Приблизительно три тонны каменного

угля высокого качества (или 3.5 тонны среднего качества, или 9 тонн бурого)

сжигается на тепловых электростанциях для получения одинакового количества

электроэнергии. При этом остается до полутонны золы, в зависимости от

качества используемого угля, и в окружающую среду выбрасывается восемь тонн

углекислого газа, который при атмосферном давлении и температуре заполнил

бы три полногабаритных Олимпийских бассейна (50м*15м*2м). В зависимости от

сорта угля, выбрасывается и некоторое количество двуокиси серы (SO2). Общее

содержание серы в Американских углях, примерно, 2-3 процента, и они дают

сотни килограммов двуокиси серы, которые без дорогостоящей утилизации

приводят к выпадению кислотных дождей, хорошо известных в северном

полушарии. Влияние на окружающую среду побочных продуктов от сжигания угля

на тепловых электростанциях рассматриваются более подробно в разделах 6.1 и

6.2, а затраты по утилизации SO2 мы рассмотрим ниже. (Заметим, что

Австралийский и Канадский угли содержат меньше одного процента серы). За

годы эксплуатации, большинство тепловых электростанций выбросили в

атмосферу намного больше радиоактивных веществ, чем любые ядерные установки

подобного размера! Поэтому необходимо всегда следить за содержанием

радиоактивных материалов в угле (в Австралии и Канаде, например, содержание

U+Th составляет до 17 промилле). При использовании современного

оборудования эта радиоактивность сохраняется главным образом в золе и

утилизируется вместе с ней.

Использование урана как топлива: От 30 до 70 кг урановой руды

Австралийского или Канадского происхождения необходимо для того, чтобы

произвести горстку (230 граммов) концентрата двуокиси урана. Уран в этом

концентрате, назовем его "естественный уран", содержит приблизительно 0.7 %

U-235, делящегося изотопа урана. Естественный уран используется для

заправки топливом реакторов типа "CANDU" Канадского производства,

получивших широкое распространение в мире. В странах, использующих легко-

водные реакторы (так называемые реакторы PWR и BWRS) естественный уран

обогащается по содержанию изотопа U-235, и из 30-70 кг урановой руды

получают, приблизительно, 30 граммов обогащенного уранового топлива,

которое содержит до 3.5 % U-235 (см. раздел 4.2). Отработанный уран в CANDU

реакторах содержит очень небольшое количество ядерного топлива, которое

обрабатывается как отходы. Уран же, отработанный в легко-водных реакторах,

содержит достаточно большое количество ядерного топлива, и в некоторых

странах обрабатывается для повторного использования. После повторной

отработки топлива в легко-водных реакторах остается приблизительно 20 мл

жидких высокоактивных отходов. Такие высокорадиоактивные отходы, занимающие

объем не более одного кубического сантиметра, "остекловываются", т.е.

помещаются в специальные таблетки весом до 6 грамм и размером с большую

монету, выполненные из особого сорта стекла. В процессе работы ядерных

реакторов образуются и другие отходы, но они имеют намного меньше значение

(см. раздел 5.1).

2.7 Экономические факторы

Наряду с количественным сравнением эффективности различных видов

топлива и производимых отходов, важно рассмотреть относительные затраты,

связанные с использованием того или иного топлива. В Таблице 4 показано

сравнение прогнозируемой стоимости электроэнергии, получаемой от различных

источников энергии, составленной OECD.

Таблица 4

Сравнительная характеристика прогноза стоимости электроэнергии,

вырабатываемой различными способами, в 2005-2010 годах (цент США/кВт час)

| |Уран |Угол|Газ |

| | |ь | |

|Франция|3.22 |4.64|4.74 |

|Россия |2.69 |4.63|3.54 |

|Япония |5.75 |5.58|7.91 |

|Корея |3.07 |3.44|4.25 |

|Испания|4.10 |4.22|4.79 |

|США |3.33 |2.48|2.33-2.|

| | | |71 |

|Канада |2.47-2.|2.92|3.00 |

| |96 | | |

|Китай |2.54-3.|3.18|- |

| |08 | | |

Фактическая стоимость производства электроэнергии в США показана на Рисунке

7. Здесь приведены средние цифры, которые надо анализировать вместе с

Рисунком 8.

На Рисунке 7 показаны полные затраты на производство электроэнергии за

более чем десятилетний период в США, в то время как Рисунок 8 показывает

структуру этих затрат для различных способов производства электроэнергии.

Стоимость строительства атомных электростанций намного больше, чем

стоимость тепловых, работающих на угле или газе. Но стоимость ядерного

топлива, включая его необходимое обогащение, меньше стоимости нефти, угля и

газа. Следовательно, фактическая стоимость электроэнергии, производимой на

атомных электростанциях, будет почти такая же, как и на тепловых.

Имеется множество Американских ядерных установок, проектная стоимость

которых поглощалась уже на стадии проектирования и, следовательно,

расчетное значение стоимости генерируемой энергии оказывалось очень

высокими. Однако, закрытие таких заводов не помогло бы ни владельцам, ни

заказчикам, и критерием их существования, в конечном счете, является

стоимость фактической эксплуатации (см. Рисунок 7). По этому показателю

атомные электростанции сравниваются с тепловыми, работающими на угле, и

дешевле газовых.

Относительно инвестиций в новые генерирующие мощности, затраты на

проектирование и капитальное строительство являются определяющим фактором,

и они показаны на Рисунке 8. В северо-восточных районах Соединенных Штатов,

например, возникают меньшие затраты при эксплуатации ядерных установок, на

Среднем Западе их эксплуатация обходится дороже, а на западе уголь является

самым дешевым топливом. Если в каких-либо районах сегодня прогнозируются

низкие цены на газ, то это является главной причиной

неконкурентоспособности там ядерной энергетики. Наличие же районов

потребления электроэнергии, удаленных от источников дешевого угля, является

для многих стран главным условием для устойчивого и увеличивающегося

использования ядерной энергии.

Важным аспектом развития ядерной энергетики является ее зависимость от

платежеспособности страны на международном рынке. Как отмечалось выше и

показано на Рисунке 8, ядерная энергетика намного более эффективна по

сравнению с системами, основанными на органическом топливе, где затраты

более значительны. Поэтому, в таких странах, как Япония или Франция, где

выбор лежит между импортированием больших количеств топлива и больших

расходов на капитальное строительство на собственной территории, решение

может приниматься просто на основе международного обмена. Такой положение

было в Канаде, где основные запасы органического топлива расположены на

западе страны. Восточная Канада, в отсутствии ядерной энергии, положилась

бы на импортированный уголь. Развитие ядерной энергетики в таких областях

стимулирует местные отрасли промышленности, которые строят электростанции

и, таким образом, уменьшают зависимость от закупок топлива за границей.

Покупка за границей тепловой электростанции, например в Японии, привела бы

к увеличению цен на электроэнергию и значительно уменьшила бы валютные

запасы страны, чего не произойдет при использовании менее дорогостоящего

уранового топлива.

Уран имеет преимущество и в том, что это чрезвычайно концентрированное

топливо, которое легко и дешево транспортируется по сравнению с углем или

нефтью. Один килограмм естественного урана содержит в двадцать тысяч раз

больше энергии, чем такое же количество угля (см. Таблицу 3). Кроме того,

вклад стоимости топлива в полную стоимость произведенной электроэнергии

относительно мал. Это означает, что даже значительное увеличение цен на

урановое топливо будет иметь относительно небольшое влияние.* Более того,

глобальные вопросы охраны окружающей среды, вредные последствия от сжигания

органического топлива, создают дополнительные преимущества для

использования ядерной энергии (см. раздел 6.1).

|*В ценах 1997 года цена U3O8 для легко-водных реакторов увеличилась на |

|30%, а стоимость электроэнергии лишь на 7 %. |

Согласованная политика цен на углеродное топливо, сжигаемое для

производства электроэнергии, или внушительные налоги на него, изменят

экономический статус ядерной энергетики. Например, цена в $37 за тонну

обычного угля, или $29 за тонну бурого, увеличит стоимость электроэнергии

на один цент за киловатт час при неизменных ценах на ядерную

электроэнергию.

Энергетические затраты

Выше было отмечено, что стоимость атомных электростанций выше, чем

тепловых. Энергетические затраты (то есть количество энергии, вложенной в

изготовление материалов, подготовку топлива и проч.) могут быть также выше.

В особенности это касается легко-водных реакторов, где требуется

дополнительная энергия для обогащения топлива. Энергетические вложения на

изготовление конструкций и начальную загрузку топлива легко-водного

реактора составляют, приблизительно, 1.5 процента от произведенной

реактором энергии, а при учете последующих загрузок топлива эта велична

станет меньше одного процента. В самом худшем случае, при использовании

дорогих диффузионных методов обогащения урана (см. раздел 3.4) - до 4 %.

[pic]

Рисунок 7

Приведенные данные учитывают затраты на эксплуатацию, обслуживание и

стоимость топлива. Они исключают затраты на капитальное строительство, так

как они значительно отличаются в разных штатах. Данные в Таблице 4 и на

Рисунке 8 включают затраты на капитальное строительство.

Хотя уголь и уран конкурируют за ведущее место в базисном производстве

электроэнергии, некоторые развитые страны видят свой прогресс в их

одинаковой роли.

Как правило, страны, не имеющие дешевого угля или достаточного

количества газа, одобряют использование ядерной энергии, как более дешевой.

В некоторых же странах (например, в Австралии, где угольные резервы и

потенциал его производства намного превосходят внутренние потребности)

использование угля для производства электроэнергии выгоднее по сравнению с

ураном. Однако, в мировой перспективе, из-за увеличения потребностей в

электроэнергии наряду с возможным глобальным потеплением климата на земле,

усиление приоритета ядерной энергетики в базисной генерации электроэнергии

является неизбежным.

[pic]

Рисунок 8_1. Структура затрат на производство электроэнергии

Данные для различных цен на топливо (для органического топлива) или

срока ввода в эксплуатацию (для ядерных установок). Коэффициент скидки 5 %,

учитывающий 30-летний срок службы и средний коэффициент нагрузки 70 %.

Ключевым фактором для органического топлива является вопрос цены топлива

(верхняя часть полос). Поскольку в ядерной энергетике низкое отношение

стоимости топлива к полной стоимости электроэнергии, то ключевым фактором

является сроки проектирования и строительства, а следовательно и

капитальные затраты (нижняя часть полос). Увеличение коэффициента нагрузки,

таким образом, будет выгоднее для ядерных установок.

Страницы: 1, 2