Энергия

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, 3, 4