РЕСУРСЫ
Энергетические ресурсы (Лекция)ПЛАН ЛЕКЦИИ 1. Невозобновимые энергоресурсы 2. Возобновимые энергоресурсы Мировое потребление энергии неуклонно растет. За период с 1970 по 1990
гг. использование энергии в величинах нефтяного эквивалента возросло с 5 до 8,8
млрд. т. По прогнозам Мировой энергетической конференции, спрос на энергию к 2020 г. может увеличиться еще на 75 %. Доминирующим источником энергии по-прежнему остается
ископаемое топливо. Рис. Мировое потребление энергии 1. Невозобновимые энергоресурсы В таблице ниже сопоставлены запасы и современное потребление главных видов ископаемого топлива. Таблица.
Потенциальные и используемые ресурсы горючих ископаемых мира* (млрд. т
условного топлива)
Разведанные запасы почти на два порядка меньше
геологической оценки их суммарного содержания в земной коре. Преобладающая
масса содержится в рассеянных месторождениях горючих сланцев, где концентрация
углеводородов ниже 3%. Реальные
эксплуатационные запасы в 2-3 раза меньше
разведанных. Доступные запасы нефти и газа примерно на два порядка
превышают их современное годовое извлечение, запасы угля - на три порядка. Другими словами, сравнивая цифры, относящиеся к
оценке разведанных запасов наиболее доступных видов топлива (второй столбец
цифр), с цифрами их современного потребления (третий столбец), можно назвать
максимальное время, на которое этих запасов может хватить. Для подвижной нефти - это 65
лет, для газа - 44 года, для угля - 320 лет. Учитывая, что потребление
продолжает расти, реальные значения должны быть заметно меньше. Однако решающее
влияние на объем добычи топлива оказывает пока еще не конечность запасов, а
растущий спрос и политика цен. Можно смело прогнозировать долговременную
тенденцию роста мировых цен на основные виды топлива в XXI веке. Месторождения ископаемых топлив расположены неравномерно.
По 1/З потенциальных мировых запасов угля
и газа и более 20 % нефти находятся в
России. Почти 35 % нефти и около 17 % газа сосредоточено на Среднем Востоке.
Большими потенциалами угля, газа и нефти богата Северная Америка. Эти три
региона располагают почти 70 %
разведанных мировых запасов ископаемого топлива. Кроме ископаемого топлива в странах Азии, Африки и Южной Америки
продолжается использование довольно большого количества растительного топлива,
в основном древесины. Суммарное количество энергии, получаемое за счет
ископаемых и современных биогенных энергоресурсов, составляет около 12,6 млрд
т условного топлива в год. Весь потенциал ископаемых топлив колоссален по масштабам
человеческой энергетики, но его реальная доступность даже в будущем вряд ли
превысит доли процента. А по масштабам земного бюджета солнечной энергии этот
потенциал не так уж велик: он немного превышает 4-летний приток. Следует,
однако, помнить, что земные запасы угля, нефти и газа сложились за несравненно
большее время, минимум за 100-150 млн лет. Топливо, на образование
которого когда-то уходило несколько тысяч лет, мы сегодня сжигаем за год. По данным Мировой энергетической конференции (МИРЭК) 1992 г., 1
т у.т. = 29,3 ГДж. Энергетические эквиваленты масс: 1 т угля - 28
ГДж; 1 т нефти - 43 ГДж; 1 т газа (1400 м3) - 52 ГДж. Приблизительно 0,8%
данных по запасам и использованию твердого топлива относятся к торфу На втором месте по значению в энергоресурсах техносферы
стоит ядерное топливо, главным
источником которого является ископаемый уран. Большая часть урана в литосфере
сильно рассеяна. По данным Мировой энергетической конференции, общие рудные
запасы урана составляют 20,4 млн т, в том числе разведанные - 3,3 млн т.
Содержание урана в породах большинства месторождений, имеющих перспективное
коммерческое значение, колеблется от 0,001
до 0,03 %. Поэтому производится
значительное рудное обогащение. Природный уран на 99,3 % состоит из изотопа U-238 и содержит только 0,7 %
изотопа U-235, масса
которого обладает способностью к самопроизвольной цепной реакции. Для
промышленных целей производят изотопное обогащение урана с доведением
содержания U-235 до 3 %. Такой уран (в основном в виде 1)0э)
используется в большинстве современных реакторов. При расходовании 1 кг
урана в активной зоне реактора выделяется в зависимости от физических условий
до 65 ТДж теплоты. Это соответствует
сжиганию 2300 т угля. Если в качестве
перспективного ресурса принять разведанные запасы, то общее количество энергии,
которое можно получить в реакторах на тепловых нейтронах, составит около 1000 ЭДж. Для реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, использующих
реакцию деления U-238 и нарабатывающих
плутоний, этот потенциал может возрасти до
140000 ЭДж и в
2,5 раза превысит сумму разведанных запасов органических топлив. К
сожалению, часть этого ресурса уже переведена в оружейный плутоний и вместе с массами отработанных
радионуклидов превратилась в потенциал колоссального экологического риска.
Общее потребление урана всеми странами за 50
лет приблизилось к 1,5 млн. т. Для этого
понадобилось переработать не менее 10 млрд т горной массы. В настоящее время в мире работает более 400 реакторов АЭС с суммарной тепловой
мощностью около 1200 ГВт. Они потребляют
за год около 60 тыс. т урана и вносят
10-процентный вклад в общее техногенное выделение теплоты. 2. Возобновимые энергоресурсы Хотя использование невозобновимых
энергоресурсов ископаемых топлив создает самые серьезные экономические и
экологические проблемы, человек намного меньше использует возобновимые энергоресурсы. Не потому, что они меньше (они намного больше), а
потому, что их колоссальная энергия непостоянна, распределена на больших
пространствах, мало концентрирована и плохо поддается контролю. Сознавая мощь
стихий, человек предпочитает бензобак, ружье, электропровод или лазерный луч,
где энергия сжата, канализована и находится в его полной власти. Еще в 1978
г. ООН было введено понятие «новые и возобновляемые источники энергии»,
включавшее гидроэнергию, солнечную, геотермальную, ветровую, энергию морских
волн, приливов и океана, энергию биомассы древесины, древесного угля, торфа,
тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников. Геофизические ресурсы
энергии очень велики. Только близкие к поверхности суши и океана перемещения воздушных и водных масс имеют мощность порядка 25 ПВт, что в 2000 раз больше топливной мощности техносферы.
Принципиальное отличие этих ресурсов от топливных заключается в том, что их использование само по
себе не сопровождается загрязнением среды и не может повлиять на суммарный
тепловой баланс планеты. Однако это совсем не означает их экологической
нейтральности: эти ресурсы не могут быть ощутимо затронуты без того, чтобы не
наступили трудно предсказуемые изменения климата и географической среды. Гидроэнергия
стоит на первом месте среди возобновимых ресурсов
техносферы. Теоретический потенциал материкового стока близок к 6 ТВт (190
ЭДж/год). Реальный гидроэнергетический потенциал всех
рек мира оценивается в 2,9 ТВт.
Фактически в настоящее время для выработки электроэнергии используется менее 1/4 этого потенциала. В мире работают десятки
тысяч ГЭС с общей электрической мощностью 660
ГВт. Для их работы на реках созданы водохранилища, часто целые каскады
водохранилищ. Поскольку возраст большинства гидроэнергетических узлов
насчитывает несколько десятилетий, а срок их амортизации колеблется от 50 до 200
лет, можно предвидеть немало проблем, связанных с реконструкцией гидроузлов. На
рост использования гидропотенциала уже сейчас
накладывается ряд экономических и экологических ограничений. Суммарная оценка мощности устойчивых ветров в нижних слоях
атмосферы имеет порядок 5 ТВт. Технически
возможный объем ветроэнергетики мал
по сравнению с этой величиной (максимальная оценка для 2020 г. равна 288 ГВт) и
вряд ли составит более 2 % всей
энергетики техносферы, хотя в отдельных странах эта доля может быть намного
больше. Так, в Дании ветросиловые установки обеспечивают уже более 3,7 % выработки электроэнергии. Общая
установленная электрическая мощность ветроэнергетических установок
промышленного типа в мире сейчас достигла 11
ГВт и, вероятно, будет увеличиваться. Геотермальная энергия
Земли, обусловленная гравитационной динамикой и радиоактивным распадом в
недрах, в целом оценивается мощностью около 32
ТВт. Если бы ее выход к поверхности земли был равномерным (т.е. составлял 0,063 Вт/м2),
то она была бы непригодна для использования. Однако значительные ее выходы
локализованы в районах вулканической активности, где концентрация подземного
тепла во много раз больше. По результатам обследования таких районов,
геотермальные ресурсы мира, в принципе доступные для использования, оценены в 140 ГВт. При этом имеются в виду только
геотермальные выходы, а не нагретые скальные породы. Освоены эти ресурсы пока
еще мало. Общая установленная мощность ГеоТЭС в мире
не превышает 1,5 ГВт. Солнечная энергия
по сравнению с другими видами энергии обладает исключительными свойствами:
практически неисчерпаема, экологически чиста, управляема, а по величине в
тысячи раз превосходит всю энергию других источников, которые может
использовать человечество. Потенциал эксплуатационного ресурса солнечной
энергии оценивается по мощности от 100 до 500 ТВт. Из-за малой плотности этой энергии
техносфера потребляет ничтожную ее часть. Некоторое количество используется в
пассивной форме - для создания
благоприятного теплового режима в системах закрытого грунта. Эта форма
использования, а также совершенствование технических средств теплового
аккумулирования солнечной энергии и тепловых насосов имеет очень большую
перспективу. Однако гелиоэнергетиков больше
интересуют способы концентрирования солнечной энергии и ее
прямое преобразование в электроэнергию. При этом решающее значение имеют такие
факторы, как энергетическая освещенность, площадь улавливания, КПД
преобразования и эффективность аккумулирования. Технический потенциал
использования солнечной энергии оценивается в
500 ГВт. Общая мощность систем прямого преобразования солнечной энергии
в настоящее время достигала 4 ГВт, в том
числе наземных фотоэлектрических преобразователей - 100 МВт. Данные по гидроэнергетике включают мощности других возобновимых (альтернативных) источников энергии. 1 ГВт соответствует 1076,4 тыс. т у.т.
в год Общая структура использования энергоресурсов современной техносферы представлена на рисунке ниже. Рис. Стриктура энергетического баланса техносферы в
1995 г. (ГВт) Относительный вклад различных энергоносителей в общее
использование энергии характеризуется такими средними величинами: уголь – 27 %, нефть –
34 %, газ – 17 %, гидроэнергия – 6 %, ядерная энергия - 8,5 %, прочие источники - 7,5 %. Электроэнергетика
занимает в настоящее время более 25 %
энергобаланса техносферы: 3520 ГВт идут
на выработку электроэнергии и попутного тепла, причем более 55 % теряется в процессе преобразования, а
выработанные 1580 ГВт распределяются
между электроэнергией и полезным теплом в' соотношении 2:1. Доля электроэнергии в конечном потреблении составляет 9,7%. Остальная суммарная мощность сжигания топлив в различных
процессах превышает 9,2 ТВт. Почти
половина этой мощности обеспечивается нефтью и нефтепродуктами, на втором месте
уголь (24%), затем следует газ (18%) и некоммерческое растительное топливо (10 %). В конечном потреблении
эксплуатационной мощности первое место занимает производство (46%), второе -
коммунальное хозяйство вместе со сферами обслуживания, управления и коммерции (37%) и третье
- транспорт (17%). Суммарный КПД энергетики техносферы равен 30 %. Энергетическая мощность современной техносферы по величине
приблизительно равна 6% продукционной
мощности биосферы (по энергии первичной брутто-продукции) и обладает таким же
КПД, но использует во много раз более концентрированные и «грязные» источники. Усредненная глобальная картина складывается из очень различных энергетик разных стран и регионов. Диапазон
различий плотности энергетических потоков (относительно площади или населения
разных территорий, стран) очень велик: почти от
0 до 2 МВт/км2
(Бельгия) и от 0,5 до 18 МВт на человека (США). Обеспеченность
энергией тесно коррелирует с уровнем жизни населения разных стран. Резко
различается и качественная структура энергетик: от преобладания растительного
сырья в топливном балансе до 65-процентной доли в балансе электроэнергии,
получаемой в основном на ГЭС (Норвегия). В XX в. технический
прогресс сопровождался стремительным ростом энергоемкости различных нужд
человека и в настоящее время в развитых странах, несмотря на идеологию и
практику энергосбережения, люди буквально купаются в энергии. За 100 лет удельные затраты энергии на
кондиционирование среды и приготовление пищи увеличились в 8-10 раз, на перемещение (1 человеке- или
тонно-километр) - в 15-20 раз. Известно, к каким глубоким изменениям в мировой экономике
привели энергетический кризис 70-х годов и повышение цен на нефть. Резко
изменилось отношение темпов прироста потребления энергии и валовых национальных
продуктов (ВНП). С 1970 по 1985 г. энергоемкость ВНП США снизилась на 71 %, Франции -
на 70 %, Великобритании - на 72 %,
Японии - на 78 %. Это, однако, не означало снижения потребления энергии. Оно
продолжало расти. В этой исторической ситуации наша экономика оказалась менее
эластичной: энергоемкость национального дохода СССР за тот же период снизилась
только на 15 %. В результате в середине
80-х годов на единицу национального дохода мы тратили топливных ресурсов в 4,5 раза больше, чем США, и в 6 раз больше, чем Япония. Правда, значительная
часть этой разницы неизбежна и обусловлена климатическими условиями России - самой холодной из обитаемых стран.
(Жесткость климата эффективной территории Финляндии, Норвегии, Исландии, Канады
меньше, чем России). Энергетика России по количественным параметрам
достигла максимума в 1986 г. За
последующие 10 лет большинство
количественных показателей существенно снизились. В 1996 г. выработано 847 млрд кВт
"ч электроэнергии и отпущено потребителям
1321 млрд Гкал тепловой энергии. В общем производстве первичных энергоресурсов доля газа
составила 50 %, нефти – 31 %, угля –
13 %, электроэнергии, выработанной на атомных и гидроэлектростанциях, - 6 %. Хотя объем добычи ископаемого топлива
снижается, оно продолжает играть решающую роль в производстве электрической и
тепловой энергии. |
| |||||||||||||||||||||||||||||||||