Энергия для удовлетворения нужд социальных потребностей общества вырабатывается на энергетических станциях: тепловых (ТЭС), атомных (АЭС), гидравлических (ГЭС), а также за счет возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Так, например, в 1985 г. вся первичная энергия в стране (100 %) была получена за счет нефти (примерно 38 %), угля (20 %), газа (35 %). Около 2 % энергии была выработано на АЭС и около 4 % на ГЭС. За счет различных ВИЭ было получено энергии в пределах 1 % (рис. 13.1).

Рис. 10.1. Доли источников энергии

Перспективы развития энергетики, в стране определяются энергетической программой. Такая программа была разработана и утверждена еще в 1983 г., но так, что в зависимости от складывающейся ситуации предусматривалась возможность корректировки ее показателей через каждые пять лет. И, действительно, такая корректировка оказалась необходимой.

Сегодня при формировании энергетической политики в стране стало недопустимым исходить только из задачи выработки необходимого количества энергии, нужно при этом учитывать экономическую обстановку, экологические и социальные факторы, нравственные соображения.

В разработке проекта новой скорректированной энергетической программы приняли участие многие научные коллективы и, в частности, Института энергетических исследований АН РФ и Государственного комитета РФ по науке и технике.

Для получения целостного представления о проблемах энергетики на ближайшую перспективу целесообразно проанализировать и оценить возможности каждого из направлений ее развития, определяемых видом первичного источника.

Такими источниками являются органические топлива (нефть, уголь, газ), а также ядерное топливо, гидроэнергетические и возобновляемые ресурсы.

Нефть

По оценкам ученых, нефти в недрах планеты имеется порядка 200 млрд.т, из них твердо разведанных запасов 110 млрд. т. Ежегодное мировое потребление нефти приближается к 3 млрд.т.

Добыча нефти постепенно усложняется. Уже в настоящее время примерно треть всей нефти добывается со дна морей. Глубина подводных скважин достигает 2 км, увеличивается глубина скважин и на земле. Установлено, что целесообразная глубина скважин для поиска нефти находится в интервале от 4 до 8 км.

Энергетика нашей страны до недавнего времени развивалась за счет наращивания расходования нефти в качестве энергетического топлива (рис. 12.1), так как это топливо наиболее высококалорийное, удобное в транспортировке и эксплуатации.

Однако ограниченность запасов нефти на планете и целесообразность использования нефти в качестве сырья для химической промышленности привели к необходимости ограничения расходования нефти в качестве энергетического топлива. Вначале это расходование будет стабилизироваться, а затем и снижаться (рис. 12.1).

Уголь

Разведанные запасы угля в стране значительны, в особенности на востоке страны в Канско-Ачинском и Экибастузском бассейнах. Так, например, только в Канско-Ачинском бассейне находится 24 крупных месторождения угля с мощностью пластов от 6 до 96 м. Однако низкая калорийность этих углей затрудняет их использование. Так, в европейскую часть страны, где потребность в энергии особенно высока, эти угли невыгодно транспортировать, так как значительную долю перевозимого угля составляют отходы (и, тем не менее, доля топлива в таких перевозках в настоящее время составляет около 40 %).

Если же перерабатывать эти угли в электрическую энергию на месте, то потребуется строительство сверхдальних линий электропередачи (ЛЭП), в магистралях которых теряется до 10 % энергии и в распределительных сетях еще около 40 %. Тем не менее, в ближайшей перспективе количество угля, используемого в качестве энергетического топлива, будет хотя и медленно, но возрастать. Так, в 2000 г. добыча угля в мире превзошла отметку 9 млрд.т.

В России увеличение добычи угля будет происходить преимущественно за счет открытых месторождений (до 50…60 % против 38 % в 1980 г.). Часть угля будет перерабатываться в электрическую энергию непосредственно в районах добычи. Для передачи энергии планируется строительство мощных ЛЭП, продолжится формирование Единой энергетической системы страны с созданием межсистемных ЛЭП напряжением переменного тока 500, 750 и 1150 кВ и постоянного тока напряжением 1500 кВ.

В настоящее время плотность ЛЭП в России намного ниже, чем в странах Западной Европы и США. Часть угля станет сырьем для производства на месте жидкого синтетического топлива. В связи с этим идет активный поиск более перспективных способов газификации углей и долговечных катализаторов для этих целей.

Газ

В настоящее время считают, что запасы природного газа на Земле составляют примерно 2,5·10¹⁴ м³, причем твердо разведанных  (8…9) 10¹³ м³.

Это самый чистый вид органического топлива, запасы которого на территории страны значительны. Подсчитано, что за всю историю страны эти запасы были израсходованы лишь на 4 %. Кроме обычного природного газа имеются большие запасы еще газовых гидратов (газ, связанный с водой в зонах вечной мерзлоты и океане).

Расчеты и практика показали, что применение газа в качестве энергетического топлива в европейской части страны оказалось эффективнее на 10…15 % по сравнению со всеми другими энергетическими ресурсами. Газ, кроме того, может существенно повысить мобильность Единой энергетической системы при резких изменениях нагрузки (по времени суток, по временным поясам), если организовать в стране производство в достаточном количестве мощных энергетических газовых турбин и строительство на их базе пиковых электростанций. Дело в том, что газовые турбины могут интенсивнее изменять или сбрасывать нагрузку по сравнению с паровыми конденсационными станциями. Использовать газ можно также в парогазовых циклах.

Все сказанное свидетельствует о том, что в ближайшей перспективе в развитии энергетики приоритет будет отдаваться газу. При этом нужно знать, что добыча газа усложняется из-за неблагоприятных климатических условий (особенно на Севере), необходимости все более углублять газовые скважины (есть скважина, дающая газ с глубины 8088 м), что, естественно, удорожает его поиск и добычу.

Практика эксплуатации газопроводов показала необходимость существенного повышения качества их прокладки, монтажа и усиления контроля за значениями параметров, за герметичностью стыков в процессе эксплуатации. Пренебрежение этими требованиями может привести (и уже приводило) к снижению безопасности работы газопроводов и авариям.

АЭС

В настоящее время около 15 % энергии в мире вырабатывается на АЭС, эксплуатация которых началась с 1975 г. Однако опыт, накопленный за этот период, оказался слишком малым (по сравнению с эксплуатацией ТЭС) настолько, что не смог предотвратить крупные аварии АЭС вначале в Пенсильвании (США), а затем в Чернобыле. Эти аварии вызвали определенный спад в развитии атомной энергетики.

Неоднозначно отношение к развитию атомной энергетики в различных государствах. Если во Франции на АЭС вырабатывается около 70 % энергии без тенденции к снижению, то в Швеции и Италии строительство АЭС прекращено.

Атомная энергетика США втрое мощнее российской и вдвое – французской. Ее доля в национальной выработке энергии составляет 18 %, и в 1991 г. достигла 20 % при 124 действующих энергетических блоках общей мощностью свыше 100 ГВт. В настоящее время большие средства направляются на развитие научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области атомной энергетики с целью создания необходимого задела на будущее.

Изменила свое отношение к атомной энергетике и Япония, построившая в одной из зеленых долин на побережье крупнейшую в мире АЭС «Фукусити» (10 блоков общей мощностью 9 млн. кВт). Зеленая зона вокруг АЭС сохраняется в неприкосновенности, что было бы невозможным, если бы вместо АЭС функционировала ТЭС.

Анализ перспектив развития энергетики в России, проведенный в последние годы, показал, что наша отечественная промышленность не сможет обойтись без определенного развития атомной энергетики. Однако наращивание ее мощности предлагается осуществлять примерно вдвое медленнее, чем это предусматривалось энергетической программой 1983 г.

Одновременно предприняты значительные усилия к обеспечению безопасности работы АЭС. Изменена конструкция поглощающих стержней и увеличено их количество. Внесены существенные изменения в систему управления, внедряются средства технической диагностики, вводятся новые автоматизированные системы контроля и анализа параметров АЭС. Пассивная система охлаждения при необходимости будет автоматически включаться в отвод теплоты от активной зоны

реактора. Появились идеи строительства маломощных АЭС с небольшими модульными реакторами.

Фирма «Дженераль атомикс» из Сан-Диего разрабатывает небольшой энергетический реактор, который намечено строить под землей. Охладителем в нем будет инертный газ – гелий.

К новому перспективному направлению развития атомной энергетики повышенной безопасности следует отнести также разработку и применение реакторов на быстрых нейтронах с натриевым наполнителем: в первом реакторном контуре давление среды составляет всего около 0,15 МН/м² (в тепловых реакторах с водяным и газовым охлаждением – десятки МН/м²), что практически исключает механические повреждения корпуса и трубопроводов. Сталь при таком контакте с натрием не корродирует. Натрий второго контура и рабочий пар, получающий теплоту от второго контура, нерадиоактивны.

Специалисты утверждают, что атомная энергетика с помощью быстрых реакторов способна обеспечить человечество теплом и светом на ближайшее тысячелетие. Кроме того, ученых все больше тревожат проблемы потепления климата вследствие парникового эффекта. Атомная энергетика на этот процесс не влияет.

Повышению безопасности работы АЭС способствует также моделирование на ЭВМ рабочих процессов АЭС. Пока надежно моделируются лишь переходные процессы, что очень важно для создания совершенных систем автоматического регулирования. Перед специалистами-разработчиками моделей стоит задача столь же надежно моделировать экстремальные и аварийные ситуации, что позволит выявлять условия и причины возникновения аварийных ситуаций, наиболее целесообразные средства борьбы с ними, а главное, более уверенно определять требования, исключающие возникновение аварии.

В мае 1989 г. в Москве была учреждена Всемирная ассоциация организаций, эксплуатирующих АЭС. Создан банк данных, который поможет принимать более верные решения в вопросах развития атомной энергетики.

ГЭС

Гидростанции в нашей стране дают в настоящее время лишь 15…16 % электроэнергии и 4 % общего производства энергетических ресурсов (см. рис. 12.1). В связи с этим значение ГЭС для Единой энергетической системы страны не столько в количестве производимой энергии, сколько в возможности снятия пиковых нагрузок, мобильного автоматического включения ГЭС в непредвиденных обстоятельствах. Дело в том, что ТЭС и АЭС значительно инерционнее при смене режимов и работают наиболее экономично на одном заданном установившемся режиме. В связи с этим ГЭС работают в качестве регуляторов Единой энергетической системы.

В нашей стране построены наиболее мощные ГЭС, но крупные ГЭС с большими по площади водохранилищами нарушают экологическое равновесие и приводят к значительным неблагоприятным последствиям в окружающей среде. В связи с этим в перспективе предполагаются более медленные темпы строительства ГЭС в основном в горных условиях (Тянь-Шань, Кавказ, Тунгуска). Следует также отметить целесообразность использования энергии малых водных потоков (практически ручьев) с помощью рукавных переносных гидроэлектростанций.

Ручей (или его часть) забирается в брезентовый рукав, подводящий воду к турбине, связанной с генератором. Мощность такой установки до 1,5 кВт (имеются модификации), вырабатывается переменный ток напряжением 220 В с частотой 50 Гц. Вес установки 85 кг. Себестоимость 1 кВт ч рукавной ГЭС всего 0,5 коп. (по ценам 1991 г.), в то время как бензоэлектростанция такой же мощности дает ток себестоимостью 35 коп. (по ценам 1991 г.). Длина рукава 100 м (10 секций по 10 м) при

уклоне потока 4° и 30 м при уклоне 10°. Потребность в таких рукавных ГЭС в стране очень велика (для высокогорных пастбищ, геологических партий и т. п.).

ВИЭ

К числу возобновляемых источников энергии обычно относят:

· солнечную энергию;

· ветровую энергию;

· геотермальные источники энергии;

· прирост биомассы на земле;

· биогаз из отходов животноводства;

· энергию приливов и отливов морей и океанов, энергию морских волн и др.

До настоящего времени количество энергии, полученное за счет ВИЭ, в общем энергетическом потоке незначительно. В нашей стране за счет ВИЭ вырабатывается всего 1 млн. т условного топлива. И, тем не менее, опыт использования ВИЭ в мире постепенно накапливается. Специалисты, например, убеждены, что к 2060 г. доля энергии Солнца в общем потреблении может превысить 50 %.

Фирма «Арко Солар» (США) еще в 1983 г. начала эксплуатировать солнечную электростанцию мощностью 1 МВт и строит в Калифорнии фотоэлектрическую станцию мощностью 6,5 МВт. На Украине длительное время работает гелиостанция в Крыму.

Ведутся большие работы по совершенствованию кремниевых солнечных элементов (кремниевые пластинки преобразуют солнечный свет в электричество), в результате чего за последние 10 лет цена на них снизилась в 3,5 раза. Значительное внимание уделяется более дешевому поликристаллическому и аморфному кремнию в виде пленки. Коэффициент полезного действия элементов на аморфном кремнии составляет 6… 10 % против 12…16 % монокристаллических элементов.

В перспективе будет расширяться использование геотермальных источников энергии, в особенности в районах, богатых ими. Так, например, на Камчатке известно свыше 140 таких источников. Более 10 лет вырабатывает ток Паужстская геотермальная электростанция. Создается Мутновская геоТЭС мощностью более 100 тыс. кВт. Более 20 тыс. квартир в городе Видин (Болгария) отапливаются геотермальными водами.

Внимание ученых-энергетиков привлекают и перспективы использования ежегодно возобновляемой биомассы. Дело в том, что каждый год на планете прирастает 117 млрд.т биомассы (в сухом весе) и в том числе 80 в лесах, 18 в степях и саванне, 9 на обрабатываемых полях. Энергия, которой обладает такое количество биомассы, эквивалентна 40 млрд.т нефти.

Переработка зеленой биомассы в топливо осуществляется газификацией древесины и ферментацией сахаров, причем в качестве целевого продукта не обязательно получать только углеводороды. Известны и другие органические вещества — эфиры и спирты (метанол, этанол, бутанол), которые по своим энергетическим свойствам близки к нефти. Уже накоплен положительный опыт их получения. Так, например, ферментация отходов сахарного тростника в Бразилии в 1981 г. дала 4,2 млн.т этанола.

В период с 1977 по 1982 г. Япония снизила количество нефти для топлива с 74,5 до 62 % с тенденцией к дальнейшему снижению за счет получения этанола из рисовой соломы, ацетона и бутанола из сельскохозяйственных отходов. Фирма «Сан даймонд гроверс» (Калифорния) производит 4,5 МВт электроэнергии за счет сжигания скорлупы грецких орехов, что за год экономит 11 тыс.т. нефти. Фирма «Гемотек инкорпорейшен» вырабатывает 8,5 МВт электроэнергии, сжигая миндальную скорлупу, косточки персиков и слив. В США этанол получают из отходов кукурузы.

Получен некоторый опыт по преобразованию в электроэнергию морских волн. Так, в Киевском политехническом институте была создана установка, подающая морскую воду за счет энергии волн на некоторую высоту с последующим использованием ее для привода гидротурбинки.

Одна из установок, созданных румынскими учеными, представляет собой буй с открытым дном. При качании на волнах уровень воды в буе изменяется, что вызывает движение воздуха через верхнее отверстие. Этот поток воздуха и использовали для привода турбинки, ротор которой вращается всегда в одну сторону независимо от направления движения воздуха. Пусть это пока только отдельные примеры, но и они свидетельствуют о возможности этого направления развития энергетики.

В проекте энергетической программы РФ предусматривается получить к 2010 г. 50…60 млн.т условного топлива. Это экономически чрезвычайно трудная задача, так как стоимость энергии, полученной за счет ВИЭ, пока слишком велика. Так, например, себестоимость 1 кВт·ч, выработанного на Крымской гелиостанции примерно в 2000 раз выше, чем на ТЭС и АЭС. Следовательно, использование ВИЭ пока требует вложения больших средств, которые могут окупиться лишь в отдаленной перспективе.

Для повышения эффективности использования ВИЗ, концентрации и конкурентоспособности получаемой таким образом энергии необходимо проведение большого объема научно-исследовательских работ.