Энергия

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

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4