Строительные исследования
страница - 0
Энергетика России и перспективы развития ТЭК в XXI веке*
Ю.Н. Орлов (orlmath@keldysh.ru) ИПМ им. М.В. Келдыша РАН
1. Введение
В настоящей работе анализируются данные по энергопотреблению в России и используемым энергетическим ресурсам, а также меняющиеся темпы роста населения и качества уровня жизни. Цель предпринимаемого исследования состоит в систематизации имеющихся данных и прогнозов развития, публикуемых различными организациями и ведомствами, а также в подготовке базы для построения моделей, описывающих взаимосвязи между энергетикой, экологией и демографией в контексте тенденций современного развития.
В процессе развития человечества базовая энергетика менялась дважды: использование энергии в виде пищи и одежды (включая жир и шкуры убитых животных на обогрев) сменилось сжиганием биомассы (дрова, навоз), которое в свою очередь сменилось добычей ископаемого топлива (газ, нефть, уголь). Смена существующей («ископаемой») энергетики будет обусловлена исчерпанием невозобновляемых запасов топлива, что с необходимостью приводит к исследованию возможности использования других видов энергии, открытых в настоящем, либо недостаточно эффективно использовавшихся в прошлом. Основным критерием прогресса в энергетике является повышение плотности потока извлечения энергии из окружающей среды. Это, в свою очередь, влечет за собой увеличение рассеиваемой энергии, и до определенного этапа развития влиянием отходов (как производственных, так и чисто энергетических) на окружающую среду можно было пренебречь, однако теперь такое влияние становится сопоставимым с внешним фоном, поэтому эффективность использования энергии есть тот критерий, по которому ее в первую очередь следует классифицировать. На основе данных по отходам, получаемым при производстве энергии на ТЭС, в работе предлагается модель определения экологически оптимальной единичной мощности агрегата.
Прогнозы будущих потребностей или возможностей производства, сделанные разными организациями, сильно различаются между собой, некоторые выполнены с явным превышением точности. По-видимому, наиболее корректными являются прогнозы, сделанные по принципу «если темпы роста (спада) останутся такими же, то...». Вместе с тем износ основных фондов хотя и отмечается в большинстве работ, учет реального вывода устаревшего оборудования не проводится, поскольку практически во всех сценариях прогнозируется рост производства энергии и весьма умеренные вложения средств в обновление основных фондов и в развитие новых технологий, что не вполне сочетается с упоминанием там же о готовящихся выйти из строя 50-70% оборудования. Кроме того, необходимо учитывать также динамику численности населения, и прогнозы в этой области должны опираться на строгий математический анализ наблюдаемых тенденций. В настоящей работе делается оценка перспектив развития ТЭК с учетом износа оборудования и темпов ввода новых мощностей. На основе проводимого анализа делается вывод о том, что главной особенностью современной ситуации в энергетике является проведение грамотной инвестиционной политики, учитывающей изменения в структуре потребления разных видов топлив.
2. Тенденции развития мировой энергетики
Основной чертой последнего десятилетия в развитии мировой энергетики стало внедрение энергосберегающих технологий и рост количества энергетических установок малой мощности на основе использования нетрадиционных возобновляемых источников (НВИЭ), таких как энергия Солнца, ветра, геотермальная и др. (Строго говоря, НВИЭ не являются возобновляемыми, но пока их использование достаточно мало, факторы обратного влияния не сказываются). Это привело к сокращению удельного потребления энергии в мире в целом, хотя в странах со средним уровнем развития (4-8k$ ВВП на человека) наблюдается его рост, связанный с улучшением качества жизни.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект №01-01-00628) и РГНФ (проект №99-03-19696).
Таблица 2.1. Удельное энергопотребление в мире по данным
[1-2].
Год | Население, | Энергия, E, TW- y | Отношения: |
N, млрд чел. | E / N2 E/N | ||
1850 | 1.13 | 0.68 | 532 602 |
1870 | 1.3 | 0.79 | 467 608 |
1890 | 1.49 | 1 | 450 671 |
1910 | 1.7 | 1.6 | 553 941 |
1930 | 2.02 | 2.28 | 558 1129 |
1950 | 2.51 | 3.26 | 517 1299 |
1970 | 3.62 | 8.36 | 638 2309 |
1990 | 5.32 | 13.2 | 466 2481 |
2000 | 6.25 | 13.9 | 356 2224 |
18
Здесь использована энергетическая единица 1TW - y = 31.5EJ, EJ = 10 J . Часто используются также единицы 1 т.у.т. (тонна условного топлива) = 2.926 • 1010 J и 1 тнэ (тонна нефтяного эквивалента) =
1.375 т.у.т. Современные мировые потребности составляют 1.1 • 1010 т.у.т. в год и растут со скоростью 2 -4% в год, в основном за счет развивающихся стран.
На основе данных Таблицы 2.1 в [1-2] сделан вывод о том, потребление энергии пропорционально
квадрату численности населения. Там же предложен закон роста численности в виде N ос N , откуда
следует E ос N. Однако, как показывает последняя строка этой таблицы, тенденции роста не столь прямолинейны. Возможно, что население растет как N2 с открытием нового источника энергии, а по достижении «насыщения» включаются факторы экономии, приводящие как к сокращению потребления, так и стабилизации численности.
Базовая энергетика в настоящее время использует ископаемое углеводородное топливо. Мировые
125
запасы органического топлива оцениваются величиной 12.8 -10 т.у.т. (3.745 • 10 EJ ) [1]. Примерно треть
12
этого количества (4.3 • 10 т.у.т.) может быть извлечена с использованием современной техники при умеренной стоимости топливодобычи. По оценке [3], доказанные запасы газа в мире составляют
12 3
142 -10 м , которые при темпах добычи 1999г будут израсходованы за 65 лет. Потенциальные запасы 12 3
оцениваются в 437 • 10 м , и их хватит на 200 лет. Однако большая часть этих запасов труднодоступна, и их добыча может быть невыгодна даже энергетически, учитывая затраты на создание рабочих мест.
Дрова | 7 |
Каменный уголь | 25 |
Нефтепродукты | 44 |
Природный газ | 38 |
Деление актиноидов | 8-107 |
Эквимолярный DT синтез | 1.7-108 |
Таблица 2.3. Удельный вклад энергоресурсов в мировое энергопроизводство [4].
уголь | газ | нефть | АЭС | ГЭС | прочее | всего | |
Полная мощность, TW | 3.00 | 2.81 | 4.39 | 0.75 | 0.81 | 0.05 | 11.81 |
% от полной мощности | 25.40 | 23.74 | 37.15 | 6.37 | 6.88 | 0.46 | 100 |
Доля электроэнергии в общей структуре производства энергии в последние десятилетия примерно постоянна и составляет 23-26%. Этой величиной в настоящее время ограничиваются потенциальные возможности АЭС, поэтому развитие широкомасштабной ядерной энергетики, не производящей, однако, полезного тепла, находится под вопросом. В этой связи представляются несостоятельными рассуждения о глобальной экономии углеводородного топлива при выводе части ТЭС, вырабатывающих электричество, и переориентации отрасли на ядерную энергию. Столь же неправомерны призывы заменить ядерную энергетику на тепловую, т. к. отходов от ТЭС больше, а запасов топлива меньше. Возможно, что создание термоядерной энергетической установки при соблюдении норм экологической безопасности могло бы решить проблему нехватки энергии при истощении углеводородного топлива.
Экономические показатели использования энергии в мире по данным [2]: ВНП 21T$; индустриальное использование энергии 362EJ; индивидуальное потребление энергии 40 EJ; использование электроэнергии 11190 TW-h; энергоемкость ВНП 56.9 $/GJ;
доля в нем электроэнергии 1.91 $/W-h. Практически во всех странах потребление энергии почти прямо пропорционально ВВП: Е/ВВП ос 0.55 W/$. Исключения составляют самые бедные страны с производством ВВП менее 1k$ на человека, где этот показатель выше (около 0.7W /$), и самые богатые (более 16k$), где он соответственно ниже (0.37W /$).
Возможное использование НВИЭ значительно перекрывает современные потребности (13TW), но соответствующая технология пока не разработана. Солнечная энергия с 1% суши при 20% кпд даст 50 TW-y, однако из-за отторжения больших площадей и отсутствия эффективной аккумуляции низкопотенциального тепла делает широкомасштабное ее извлечение в настоящее время невозможным. Сжигание биомассы с 10% суши (леса занимают 30% суши) при кпд 1% даст 25 TW-y, но приведет к изменению климата и значительному загрязнению атмосферы. Термальная энергия океана при 2% ее поглощения и 2% кпд даст 9 TW-y. Прогнозы использования гидроэнергии колеблются от сохранения текущего уровня (0.8 TW-y), до 2 TW-y. Энергия ветра оценивается в 1 TW-y. Остальные виды (приливы, геотермальная энергия и т. д.) дают меньше 1 TW-y.
Таблица 2.4. Мировые запасы топлива, 109 тнэ (IIASA [5]/Газпром [3]).
уголь | газ | нефть | уран | |
Потенциальные | 2794/3400 | 279/220 | 477/200 | 12353/15500 |
Доказанные | 606/600 | 141/133 | 343/150 | 3447/3400 |
Существует множество сценариев развития мировой энергетики. По одному из них, разработанному IIASA [5], к 2050г ожидается 10.1 млрд. чел., потребляющих 2-1010 тнэ энергии в год при снижении удельного потребления 0.7% в год и росте ВВП 2.2%. Потребности будут распределены следующим образом:
Таблица 2.5. Прогноз мировых потребностей в энергоресурсах к 2050 г, 109 тнэ.
уголь | газ | нефть | ядерная энергия | гидро | НВИЭ | биомасса |
4.1 | 4.5 | 4.0 | 2.7 | 0.9 | 2.8 | 0.8 |
В то же время, например, в аналитическом обзоре [3] приводятся цифры, превышающие указанные в Таблице 2.4 в 2 - 2.5 раза (возможно, за счет большей прогнозируемой численности). Так, общие потребности предполагаются равными 35-40-109 тнэ со смещением акцента в сторону нефти и газа. Данные по существующим мировым запасам топлива также различны. По-видимому, как и в прогнозах, в них содержится скрытая заинтересованность ведомств в том или ином сценарии развития, и потому приводимые ими цифры требуют осторожного обращения.
В тесной увязке с энергетикой находится также и демографическое положение в мире. Основная трудность прогнозирования демографической ситуации состоит в моделировании зависимости рождаемости и смертности от времени, причем эта зависимость представляется не явной, а реализующейся через некоторые интегральные характеристики общества, и в первую очередь через энергопотребление и его распределение по социальным сферам. По-видимому, урбанизация как следствие миграционного роста населения в местах концентрации энергетических источников приводит к снятию многих проблем, связанных с выживанием в неблагоприятных внешних условиях. Критическим следует признать уровень энергопотребления в 4 MW-h на человека в год, по достижении которого рождаемость в большинстве стран падает ниже уровня простого воспроизводства. При этом явной зависимости рождаемости и смертности от плотностных факторов пока не наблюдается. Из анализа демографических моделей можно сделать вывод, что неравномерность развития человечества способствует повышению его выживаемости в условиях свободной миграции [6-7].
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5]