К.Я. Кондратьев, академик, В.Ф. Крапивин, доктор физико-математических наук
Повышение интенсивности хозяйственной деятельности человека, определяемое прежде всего продолжающимся возрастанием численности населения на Земле, диктует необходимость дальнейшего развития энергетики. Основу производства энергии все еще составляет использование углеводородного сырья, что порождает серьезные экологические последствия. Не случайно в повестке дня состоявшегося 7-8 июля 2005 г. в Шотландии совещания группы восьми ведущих государств мира (группа Г-8) в качестве одной из двух ключевых проблем была выбрана проблема глобального потепления, а следующую сессию Г-8 (2006 г., Россия) планируется сконцентрировать на обсуждении проблем энергетики. Важный социально-экономический аспект происшедших за последние годы изменений — значительное повышение цен на нефть и природный газ. Проблемы энергоснабжения приобрели ключевое значение для дальнейшего развития цивилизации на планете. Остроту ситуации можно проиллюстрировать данными, относящимися к такому крупному развивающемуся государству как Бразилия.
В 2001 г. в Бразилии случился серьезный кризис, который вынудил ввести ограничения на потребление энергии, чтобы избежать катастрофических отключений. Главными причинами кризиса были длительные засухи, продолжавшиеся в различных регионах на протяжении почти 6 лет (1996-2001 гг.) и снизившие выработку электроэнергии на ГЭС, возраставшее энергопотребление и задержки с пусками новых электростанций. Специфика производства электроэнергии в Бразилии состоит в том, что около 85% его приходится на долю гидроэлектростанций, причем считалось, что имеющаяся система энергоснабжения в состоянии удовлетворить потребности в электроэнергии в течение трех засушливых лет подряд. Однако в апреле 2001 г. объем воды в водохранилищах ГЭС составлял лишь 20-30% от максимального. Именно это побудило правительство Бразилии принять решение о серьезном ограничении потребления электроэнергии.
Таблица 1 Мировое потребление ископаемых топлив (млн. т н.э.) за 1950-2003 гг. (по данным Института мониторинга глобальных ресурсов (США)) |
|||
| Год | Уголь | Нефть | Природ- ный газ |
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2002 2003 |
1074 1544 1553 1814 2270 2217 2304 2398 |
470 951 2254 2972 3136 3519 3756 3987 |
171 416 924 1304 1774 2158 2412 2675 |
Естественно, что сильная «экозависимость» производства электроэнергии диктует необходимость его диверсификации. В этой связи возникает необходимость комплексного анализа состояния и перспектив дальнейшего развития мировой энергетики, имея в виду возможности ее диверсификации, меры в области сокращения энергопотребления, повышение эффективности производства энергии и минимизацию негативных экологических последствий (переход от углеводородной к «чистой» энергетике). Речь идет о достижении в каждой отдельной стране и в мире в целом такого уровня производства энергии, который был бы экологически безопасным, устойчивым и обеспечивающим растущие потребности экономики (заметим, что, например, США в настоящее время ежедневно затрачивают около полумиллиарда долларов на импорт нефти, преимущественно из стран Ближнего Востока).
Таблица 2 Годовое потребление энергии и выбросы CO2 в различных странах |
||||
| Страна | Коммерче- ская энергия, потребле- ние на душу населенияв в нефтяном эквиваленте |
Нефть, баррель/ сутки на 1000 чел. |
Электро- энергия кВт • ч/чел. |
Выбросы углекислого газа на душу населения,т |
США Япония Германия Польша Бразилия Китай Индия Эфиопия |
8.1 4.1 4.1 2.4 1.1 0.9 0.5 03 |
70.2 42.0 32.5 10.9 10.5 4.2 2.0 0.3 |
12331 7628 5963 2511 1878 827 355 22 |
19.7 9.1 9.7 8.1 1.8 2.3 1.1 0.1 |
Важный аспект проблемы состоит в неспособности рыночных механизмов регулировать энергетику с точки зрения ее устойчивости и экологической безопасности, что диктует необходимость вмешательства правительств и международных организаций. Обсуждение проблем энергетики обычно ограничивается анализом динамики потребительских цен на энергоносители и различных кризисных ситуаций, порожденных дефицитом энергоресурсов.
Данные табл. 1 иллюстрируют быстрое возрастание мирового потребления ископаемых топлив за 1950-2002 гг. Обратимся далее к рассмотрению более детальных статистических данных, относящихся к различным видам ископаемых топлив и к энергоресурсам вообще, обратив сначала внимание на крайнюю неравномерность распределения энергопотребления по различным странам (табл. 2).
Разумеется, обращает на себя внимание тот факт, что «средний» американец расходует в 10 раз больше энергоресурсов, чем «средний» китаец, и в 20 раз больше по сравнению со «средним» индийцем.
Каменный уголь
Таблица 3 Потребление каменного угля (млн. т) в 2001 и 2025 гг. |
|||
| Регион | 2001 | 2025 | Изме- нение, % |
США Западная Европа Япония Бывший СССР Китай Индия Остальной мир ВСЕГО |
1060 574 166 446 1383 360 1274 5263 |
1567 463 202 436 2757 611 3518 7574 |
+47.8 -19.3 +21.7 -2.2 +99.3 +69.7 +20.7 +43.9 |
При всех опасениях относительно экологических последствий использования каменного угля он остается преобладающим энергоносителем при уровне его мирового потребления, достигшем, по данным Администрации США по информации в области энергетики, 5 млрд. т в 2001 г. (обращают на себя внимание расхождения различных данных) и с перспективой роста до 7.6 млрд. т в 2025 г. Данные табл. 3 иллюстрируют достигнутые и предполагаемые уровни потребления каменного угля в различных странах. Как видно, рост потребления каменного угля сконцентрирован в трех странах: Китае, Индии и США, где существуют большие запасы угля. Спад потребления угля в Западной Европе и в некоторых других регионах мира связан главным образом с возрастающей ролью природного газа как энергоносителя. Подобный процесс происходит и в США (что привело, в частности, к более чем удвоению цен на природный газ, начиная с 1999 г.), но при сохранении высоких темпов потребления каменного угля. Хотя нередко высказывается предположение, что ограниченность ресурсов каменного угля постепенно приведет к спаду доли использования этого энергоносителя, «отягощенного» экологическими последствиями, подобная ситуация маловероятна, ввиду огромных запасов угля и его высокой экономической (но не экологической) эффективности как энергоносителя. Перспективы замены угля (или природного газа) возобновляемыми источниками энергии все еще остаются очень отдаленными. Более реальные перспективы связаны с разработкой и внедрением «чистых» технологий, в том числе технологии IGCC (Integrated Gasification Gas Combined Cycles) — интегрального комбинированного цикла газификации каменного угля, состоящей в трансформации каменного угля в газ, используемый как топливо для турбин, что обеспечивает значительное снижение выбросов в атмосферу.
Нефть
Хотя проблема перехода от углеводородной энергетики к использованию других возможностей производства энергии привлекает все большее внимание правительств и частного бизнеса, уголь, нефть и природный газ все еще остаются доминирующими энергоносителями, причем несомненно, что рост спроса на нефть в предстоящие десятилетия будет продолжаться. Достаточно упомянуть, что если в Китае на одну тысячу жителей приходится в настоящее время 8 автомобилей, то в США — 780. Несомненно, быстрое развитие экономики таких стран как Китай и Индия с общим населением около 2.5 млрд. чел. неизбежно ужесточит потребности в энергоресурсах. То же самое относится и к США, где потребление нефти превышает 20 млн. баррелей (1 баррель ~ 159л.) в сутки, а добыча нефти в самих США падает ввиду исчерпания потенциала существующих месторождений, что определяет усиление зависимости этой страны от импорта нефти (главным образом из стран, располагающихся в регионе Персидского залива). В связи с этим в целях стимулирования мер по экономии ресурсов нефти в США обсуждается целесообразность введения специального налога на нефть — первоначально на уровне 5 долл. за баррель. Планируется также интенсификация использования ресурсов нефти, имеющихся на Аляске, где возможно повышение ежедневной добычи нефти до 1-1.3 млн. баррелей (в настоящее время добыча нефти на Аляске ограничена экологическими запретами).
Природный газ
По сравнению с нефтью (и особенно с каменным углем) природный газ как энергоноситель и сырьевой ресурс обладает несколькими важными преимуществами: более низкий уровень загрязнения окружающей среды при промышленном и бытовом использовании, а также при производстве электроэнергии, где газ в значительной степени заменил уголь; широкие возможности применения в химической промышленности. В условиях США и многих других стран природный газ стал доминирующим энергоносителем, хотя в сфере транспорта ведущую роль играет бензин. Как и в случае бензина, за последние годы произошел скачок цен на природный газ почти в 4 раза, что сказалось, в частности, на конкурентоспособности ряда отраслей промышленности.
Следующие данные характеризуют соотношение (%) использования различных энергоносителей в США, согласно оценкам на 2005 г.: бензин — 40, природный газ — 23, каменный уголь — 23, атомная энергия — 8, возобновляемые виды энергоресурсов — 6. Использование природного газа в США распределяется между различными секторами экономики следующим образом (%): промышленность — 32, бытовое использование — 23, производство электроэнергии — 23, коммерческое применение — 14, другие направления — 8. Распределение использования газа по различным регионам мира иллюстрируют такие показатели (%): Ближний Восток — 39, Восточная Европа и бывший СССР — 35, Западная Европа — 9, Азия и Океания — 8, Африка — 7, Северная Америка — 4, Центральная и Южная Америка — 4.
Согласно оценкам Администрации США по информации в области энергетики, в настоящее время доказанные мировые ресурсы природного газа превосходят уровень его мирового потребления в 70 раз, причем уровень достоверно установленных ресурсов повышался ежегодно, начиная с 1970 г. При сравнительно небольшом вкладе природного газа как энергоносителя в условиях США ключевые перспективы развития энергетики этой страны связаны с более интенсивным использованием ресурсов, находящихся на Аляске, что потребует строительства протяженного и дорогостоящего газопровода, и с дальнейшим ростом масштабов импорта сжиженного газа (главная проблема в этой связи — строительство портов и соответствующих сооружений для приемки и сетей для распределения газа).
Атомная энергетика
Поскольку «послечернобыльский шок» к настоящему времени более или менее завершился, создались условия для достаточно объективной оценки современного состояния и перспектив атомной энергетики, тем более, что ее развитие успешно продолжалось и в последние годы. Хорошо известно, что во Франции на долю АЭС приходится более 70% производства электроэнергии, а две АЭС в Шотландии вносят 55%-ный вклад в суммарное производство электроэнергии (заметим, что доля ветроэнергетики составляет в данном случае всего 0.3%). Интенсивно развивается атомная энергетика в Китае, Иране и в других странах. Постепенное оживление произошло в США, что выразилось в дискуссии о необходимости сооружения новой АЭС
Серьезными преимуществами атомной энергетики являются ее экологическая чистота (в частности, отсутствие выбросов парниковых газов в атмосферу), достаточные запасы необходимого минерального сырья, сравнительно небольшие затраты на функционирование уже построенных АЭС, что определяет более низкие цены на электроэнергию, производимую АЭС. В США стоимость «атомного» электричества равна 1.5 цента/кВт • ч, тогда как для тепловых электростанций, работающих на угле и газе, она составляет соответственно 2 и 3.5 цента/кВт • ч. К числу проблем, сдерживающих развитие атомной энергетики, относится высокая стоимость строительства АЭС. Так, например, затраты на продолжающееся около 5 лет строительство АЭС мощностью 1000 МВт достигают 2 млрд. долл., а на строительство ТЭС, работающей с использованием новой технологии трансформации каменного угля в газ для снижения уровня выбросов — 1.4 млрд. долл. Если учитывать затраты на строительство и эксплуатацию АЭС и предположить ее функционирование в течение 40 лет на уровне 85% мощности, то стоимость электроэнергии возрастает до 6.7 цента/кВт • ч, тогда как в случае тепловых электростанций она равна 4.2 цента/кВт • ч (уголь) и 4-5.6 цента/кВт • ч (применение газовых турбин). Не вполне решенными остаются проблемы безопасности коммерческих ядерных реакторов, а также использования и хранения отработанного ядерного топлива.
Водородная энергетика
В 1970-х гг. появились первые прогнозы практической реализации возможностей использования водородного топлива уже к 2000 г. Этим прогнозам не суждено было осуществиться, но в своем обращении к нации в 2003 г. президент США Дж. Буш выдвинул «Водородную инициативу», которая предусматривала вложения на уровне 1.2 млрд. долл. за 5 лет с целью разработки технологии водородной энергетики и соответствующей инфраструктуры для обеспечения широкого внедрения автомобилей с двигателями на водородном топливе к 2020 г. Губернатор штата Калифорния А. Шварценеггер обнародовал еще более амбициозные планы, согласно которым к 2010 г. в этом штате должна начать функционирование сеть из 150-200 заправочных станций, обеспечивающих работу автомобилей на водородном топливе. Несомненно, однако, что практическому осуществлению программы в области водородной энергетики должны предшествовать серьезные проработки, касающиеся широкого диапазона проблем — от первоначального производства водорода до способов его хранения, распространения и конечного использования в топливных элементах или другим образом.
В настоящее время в США за год производится около 9 млн. т водорода, одна треть которого применяется в производстве аммиака, а остальная часть — на нефтеперерабатывающих заводах. По самым оптимистическим оценкам, массовое применение водородного топлива может стать возможным не ранее 2050 г., и это потребует производства 111 млн. т водорода в год. Возможность реализации подобной перспективы определяется главным образом проблемами стоимости топлива и экологических последствий его использования. Одна из возможных технологий производства водорода — электролиз, обеспечивающий его получение из воды при попутном выделении водяного пара и тепла. Подобная технология очень проста и экологически безопасна, но дорогостояща (особенно при современных ценах на электроэнергию). С такой же трудностью (дороговизной) сталкиваются и технологии получения водорода с использованием возобновляемых источников энергии (ветер, солнечная энергия, сжигание биомассы).
Современная технология производства водорода опирается на использование содержащих углерод и водород ископаемых топлив, из которых наиболее подходящим является природный газ, а соответствующая технология значительно более экономична, чем электролиз, но все же по стоимости в 2-4 раза превосходит расходы на получение бензина в расчете на единицу используемой энергии. Следует учитывать, кроме того, и ограниченность ресурсов природного газа, определяющих перспективу повышения его стоимости. Другая сложность технологии, основанной на использовании природного газа, состоит в наличии в данном случае попутных выбросов углекислого газа, т.е. негативных экологических последствий. С точки зрения доступности значительно более перспективен каменный уголь, но в этом случае еще более серьезными становятся экологические последствия. К числу других возможностей принадлежит использование для получения водорода атомной энергии (на основе применения электролиза или высокотемпературной термохимической технологии) и фотохимической трансформации морских водорослей. Однако реалистичность (и прежде всего экономичность) осуществления двух последних технологий требует тщательного анализа.
Серьезные сложности, безусловно, возникают в связи с решением проблемы распространения и хранения (в частности, на автомобилях) водородного топлива, ввиду малой плотности и взрывоопасности водорода. Что касается производства и распространения, то, по-видимому, наиболее целесообразно производство водорода на крупных предприятиях с последующей транспортировкой его по газопроводам. Некоторый вклад могут внести и перевозки сжиженного водорода. Все эти перспективы требуют серьезного технического и экономического анализа, причем особенно сложной окажется, вероятно, проблема хранения водорода на автомобилях. Наконец, недостаточно ясны пока что технические перспективы использования водородного топлива с применением топливных элементов или усовершенствованных двигателей внутреннего сгорания, работающих на водороде вместо бензина.
Таким образом, на пути к массовому внедрению водородного топлива остается целый ряд технических препятствий, преодоление которых потребует серьезных вложений и усилий на протяжении, по крайней мере, нескольких десятилетий.
Возобновляемые ресурсы
Таблица 4 Мощности по производству электроэнергии и уровни выработки по данным для США за 2003 г. |
||||
| Тип источника энергии | Мощность | Выработка | ||
| ГВт | % | млрд. кВт • ч |
% | |
Ископаемое топливо, включал ядерное Все возобновляемые источники Гидроэнергетика Другие виды Ветер Геотермальные источники Солнечная энергия Древесина/муниципальные твердые отходы ВСЕГО |
823 98 79 19 7.0 2.0 0.5 9.0 920 |
89.4 10.6 8.6 2.0 0.7 0.2 0.1 1.0 100 |
3493 359 275 84 11 13 1 59 3852 |
90.7 9.3 7.1 2.2 0.3 0.3 0.0 1.5 100 |
Вклад возобновляемых источников энергоресурсов в производство электроэнергии остается в целом незначительным. Это можно проиллюстрировать сравнительными данными, относящимися к США (табл. 4). Среди возобновляемых источников энергии преобладает гидроэнергия, но по ряду причин перспективы ее дальнейшего использования крайне ограниченны. На следующем месте располагается (с большим отрывом) ветроэнергетика, характеризуемая высокой степенью роста (11%, начиная с 1990 г.). Производство энергии за счет геотермальных источников остается на низком уровне. Так, в США за период с 1995 г. использование геотермальной энергии даже сократилось на 20.9%. В Японии, на Филиппинах и в Коста-Рике за этот период использование геотермальных источников энергии возросло соответственно на 32.1%, 55.6% и 158.2%. Но в целом выработка электроэнергии за счет геотермальных источников составляет всего 0.25% от общего ее производства в мире.
Хотя с экологической точки зрения использование возобновляемых источников энергии обладает бесспорными преимуществами, они никак не могут стать энергетической «панацеей», прежде всего ввиду их сравнительно высокой стоимости. Так, например, при использовании фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии суммарные затраты (в расчете на 1 кВт • ч) оказываются в тричетыре раза выше, чем в случае применения новой технологии IGCC. Роль возобновляемых источников энергии в будущем зависит от их конкурентоспособности с невозобновляемыми источниками. Решение этой задачи невозможно без серьезной финансовой поддержки.
Таблица 5 Некоторые аспекты проблем, связанных с использованием различных энергоносителей |
||||||
Энергоно- ситель Проблема |
Уголь | Нефть | Природный газ |
Ядерная энергия |
Возобновляемые источники |
Водородная энергетика |
Есть ли проблемы поставки топлива? |
Нет. Разведанные ресурсы огромны | Да и нет. Известных ресурсов хватит на деятилетия (при нынешних ценах) | Нет. Уровень разведанных ресурсов возрастает, превышая сейчас мировое потребление в 70 раз | Нет. Имеются достаточные ресурсы урана и возможности переработки отработанного топлива | Да и нет. Ресурсы велики, но не неисчерпаемы, есть трудности отвода территорий | Да и нет. Существуют различные возможности производства водорода как энергоносителя |
| Существуют ли проблемы стоимости? | Нет. Самый дешевый энергоноситель, цена на который понижается | Да. Сильные колебания стоимости существенно влияют на экономику | Да. Хотя существуют большие ресурсы, они часто располагаются далеко от регионов потребления | Да. Экономическая эффективность АЭС может быть повышена только путем уменьшения затрат на строительство | Да. Стоимость падает (особенно в случае ветроэнергетики), но необходимо субсидирование | Да. Главная проблема — большие затраты |
| Есть ли негативные экологические последствия? | Да. Существуют серьезные экологические последствия | Да. Разливы нефти, выбросы парниковых газов | В некоторой степени. То же, что и в случаях угля и нефти, но в меньшей степени | Да и нет. Нет проблемы выбросов, но есть трудности хранения отходов | Нет. Возможны лишь ограниченные экологические последствия | Да и нет. Некоторые негативные экологические последствия связаны с производством водорода |
| Существует ли зависимость от ненадежной поставки? | Нет. Наиболее значительные потребители обладают огромными ресурсами | Да. Возможная нестабильность поставок с Ближнего Востока и из России | В некоторой степени. То же, что и в случае нефти | Нет. Существуют достаточные запасы урана | Нет. Служат заменой невозобновляемых ресурсов | Может быть. Зависимость от производства водорода из природного газа |
| Имеются ли серьезные технические трудности? | Да. Все еще недостаточно разработаны технологии снижения выбросов вредных газов, а также захвата и усвоения CO2 | Да и нет. Необходимы разработки возможных новых источников нефти, а также усовершенствованных двигателей | Нет. Может продолжаться использование современных технологий | Нет. Может продолжаться использование современных технологий | Да. Очень важно дальнейшее совершенствование фото-преобразователей и других устройств | Да. Многие технические проблемы водородной энергетики остаются нерешенными |
В табл. 5 перечислены основные проблемы, касающиеся различных энергоносителей. Главный вывод состоит в том, что в настоящее время и в обозримом будущем сохранится преобладание невозобновляемых источников энергии (ископаемых топлив и атомной энергии), что диктует, в частности, необходимость осуществления соответствующих программ . по экологической безопасности при развитии мировой энергетики по этому пути. Необходимо также учитывать фактор вмешательства природных бедствий типа урагана Катрина, который в конце августа 2005 г. нанес огромный ущерб энергетике США, разрушив энергетическую инфраструктуру в зоне Мексиканского залива. Цены на жидкое топливо и газ кратковременно возросли на 10-20% и ожидается, что в течение зимы 2005-2006 гг. они будут превышать установившиеся ранее цены на 5- 10%. Ураган Катрина привел к снижению добычи газа и нефти в Мексиканском заливе на 1.34% и 24.6% соответственно. Поэтому рассмотрение перспектив мировой энергетики требует применения системного подхода с учетом как антропогенных, так и природных факторов.