Харитонов Енергетика-Технико-економические основы 2007

Таблица 1.1

Энергетические характеристики стран мира – основных потребителей первичной энергии (в 2002 – 2003 гг.) [1.1]

	Населе-	ВВП	Первичная энергия,		Мощность
Страна	ние, млн	на душу	ЭДж/год		электростан-
	чел.	населения,	Потреб-	Производ-	ций,
		тыс. $ на	ление	ство	ГВт (эл)
		чел. в год
США	291	38	98	70	953
Китай	1284	1	44	41	357
Россия	144	3	28	47	216
Япония	127	30	23	4	266
Индия	1042	0,4	17	13	108

Существует прямая связь между национальным доходом и потреблением энергии на душу населения (рис. 1.1). В экономически наиболее развитых странах годовое потребление энергии на душу населения составляет 6 – 12 кВт год (около 6 – 12 ТУТ/год) при годовом валовом национальном продукте 20 – 40 тыс. дол./чел. год. Полная энергетическая мощность России 47 ЭДж/год = 1490 ГВт могла бы обеспечить энерговооруженность граждан около 10 кВт/чел. Однако из-за экспорта почти 40 % энергоносителей она снижена до примерно 6 кВт/чел.

Более чем в 80 странах мира (из почти 200) эти показатели в десятки раз ниже, так что энерговооруженность в этих странах близка к биологической (мускульной) мощности человека, составляющей 2 – 3 тыс. ккал/сут. = 100 – 150 Вт. Среднее душевое потребление в мире составляет приблизительно 3 ТУТ/год чел., что эквивалентно энерговооруженности одного человека приблизительно 3 кВт/чел. В странах с меньшим производством энергии и ВВП меньше, и меньше продолжительность жизни людей (рис. 1.2).

Потребление энергии в мире весьма неравномерно: 1 миллиард людей (из 6) потребляет 80 % энергии, остальные 5 миллиардов – только 20 % энергии. Энерговооруженность людей в разных странах отличается более чем в 50 раз. Человек индустриального общества потребляет в 100 раз больше энергии, чем первобытный человек, и живет в 4 раза дольше. По оценкам Римского клуба в экономику некоторых слаборазвитых стран нужно ежегодно вкладывать

более 500 миллиардов долларов в течение четверти века, чтобы сократить их отставание в душевом энергопотреблении с 50 раз до 5 раз.

После энергетического кризиса 1973 – 1979 гг., когда цена на нефть возросла почти в шесть раз, в странах с большим энергопотреблением начались активные работы по энергосбережению. В итоге существенно (на 20 – 30 %) уменьшились затраты энергии на производство единицы ВВП (см. рис. 1.3). На цели топливноэнергетического хозяйства в развитых странах расходуется до половины бюджета.

Важно отметить, что с помощью одного параметра «энерговооруженность» (потребление энергии на душу населения) воспроизвести адекватную картину современного мира невозможно. Необходимо знать, куда и как распределяются энергетические ресурсы и национальный доход. Для многих стран мира значительная часть энергетических ресурсов расходуется на противостояние неблагоприятным природным условиям (слишком холодный или жаркий климат, большие расстояния, высокие горы и т.п.) и ничего не добавляет к благосостоянию индивида. Например, в высокоширотных странах, включая Россию, затраты энергии на отопление жилых, коммунальных и производственных зданий достигают 40 – 50 % от общего энергопотребления. Так, в Исландии, где средняя годовая температура воздуха составляет 0,9 оС, на каждого жителя приходится почти 9 ТУТ/год, в то время как на Мальте со среднегодовой температурой 18,5 оС потребление энергии составляет около 2,5 ТУТ/год [1.6]. То есть адекватная оценка реального благосостояния страны должна включать, кроме энергетических показателей, физические характеристики природных условий (климат, размер территории страны и ее рельеф) [1.6], [1.7].

Инерционность энергетики. Фундаментальная особенность энергетики – ее высокая капиталоемкость и наукоемкость, что определяет длительные сроки окупаемости капиталовложений, т.е. значительную инерционность топливно-энергетического комплекса. Иначе говоря, изменение структуры энергетики, внесение новых технических решений в крупных масштабах занимает десятки лет. Так, от момента принятия решения о начале разработки новой технической идеи (конструкции) энергетической установки до начала внедрения требуется около 10 лет, на строительство ~ 5 –

10 лет, на эксплуатацию ~ 30 – 60 лет. Снятие с эксплуатации и утилизация может занять еще не один десяток лет. Сроки сооружения топливодобывающих предприятий, обеспечивающих топливом энергетические установки, также велики [1.5], [1.8]:

•Угольные шахты и карьеры ~ 3 – 5 лет,

•Урановые рудники ~ 10 – 15 лет,

•Нефтеперерабатывающие заводы ~ 5 лет.

Сроки сооружения линий электропередачи ~ 3 – 5 лет, нефте- и газопроводов до 3 лет, строительства крупных машиностроительных заводов ~ 5 – 10 лет. Капитальные вложения в строительство современных крупных электростанций могут достигать нескольких миллиардов долларов.

Таким образом, уровень научных и технико-экономических проектов и прогнозов в энергетике должен быть предельно высок, так как он определяет работу ТЭК на длительную перспективу. Ошибки в принятии стратегических решений в энергетике будут дорого стоить.

Энергетика и экология. За последние 200 лет душевое энергопотребление в мире увеличилось почти в 5 раз. Это позволило решить такие грандиозные задачи, как увеличение более чем вдвое средней продолжительности жизни людей, сокращение почти вдвое продолжительности рабочей недели, обеспечение продуктами питания возросшего в 7 раз населения Земли [1.6]. Одновременно с развитием энергетики возросло ее влияние на окружающую среду. Возросли площади карьеров и изъятых из земледелия и лесоразведения земель, выбросы в атмосферу пыли и токсичных газов, твердые отходы, сбросы низкопотенциального тепла, электромагнитные поля линий электропередач и др. На долю топливноэнергетического комплекса приходится около 55 % загрязнения отходами и 70 % теплового загрязнения атмосферы [1.8] – [1.10]. В золе тепловых электростанций содержатся такие количества мышьяка, германия, висмута, бериллия, скандия, кобальта, галлия, урана, которые в десятки-сотни раз превышают их промышленное производство [1.10]. С выбросами в атмосферу двуокиси (диоксида) углерода СО2, окислов серы и азота (и ряда других веществ) связывают развитие таких негативных глобальных экологических явлений как «закисление осадков», «парниковый эффект» и «истощение озонового слоя Земли».

Всвязи с этими явлениями разрабатываются национальные и международные стандарты, определяющие допустимые уровни выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и регулирующие трансграничный перенос загрязнений. В 1992 г. в Рио-де-Жанейро представителями более чем 150 государств была подписана Рамочная Конвенция ООН по предотвращению катастрофических антропогенных изменений климата. В 1997 г. страны-участницы Рамочной Конвенции ООН подписали в Киото Протокол по сокращению

эмиссии парниковых газов (СО2, метан и др.), в котором определены обязательства ряда стран по регулированию выбросов в атмосферу. Вступление в силу Киотского протокола благодаря его ратификации Россией в 2005 г. означает, что 35 промышленно развитых стран и Европейское сообщество за пять лет (2008 – 2012 гг.) законодательно обязаны снизить совокупную эмиссию шести парниковых газов ниже уровня 1990 г.

Несмотря на усилия по снижению антропогенного воздействия на окружающую среду в последние годы все чаще звучат опасения об экологических проблемах в странах с развитой промышленностью. Наиболее остро эти опасения сформулированы в трудах Римского клуба [1.3], [1.4]: «Конец 20-го века неприятно похож на конец «Титаника» медленным осознанием людьми грозящей им опасности: корабль уже давно обречен, а на палубе продолжается веселье». Такие прогнозы связаны с истощением энергетических ресурсов, загрязнением среды и перенаселением планеты. Тезис «ресурсов всем не хватит» кладется в основу агрессивной политики некоторых стран.

Таким образом, энергетика оказывает существенное влияние на социально-экономическую и политическую жизнь общества. Высокая энергоемкость экономики развитых стран представляет серьезную проблему для их энергетической, экологической и экономической безопасности. Причем требования к экологической безопасности энергетики становятся не менее жесткими ограничителями ее развития, чем обеспеченность ресурсами топлива и экономическая эффективность производства. Именно поэтому энергетика находится

вфокусе современного естествознания, экономики и политики.

Впоследующих разделах фундаментальная взаимосвязь естественных наук, технологии, экологии и экономики на примере топлив- но-энергетического комплекса рассматривается более подробно.

1.3. Потребности в энергии

На что тратится производимая энергия? Система добычи, доставки и преобразования энергии таковы, что в конечную полезную энергию (на совершение полезной работы) преобразуется лишь около 40 % потенциальной тепловой энергии, содержащейся в израсходованных ресурсах (угле, нефти, газе, дровах, торфе, уране и т.д.), а около 60 % составляют потери. В высокоразвитых странах наибольшее количество ископаемого топлива – 40 % потребляют электростанции (табл. 1.2). В мире в среднем приблизительно по 25 % первичной энергии идет на производство электроэнергии, на отопление жилых домов и других зданий, на промышленные цели и на транспорт.

Потребности в электроэнергии растут опережающими темпами, поскольку электроэнергия легко преобразуется в свет, тепло, механическую энергию, и она точно измеряется и контролируется. Некоторые специалисты склонны судить об «уровне цивилизованности страны» по душевому потреблению именно электроэнергии несмотря на большие потери при ее производстве.

Таблица 1.2

Распределение топлива по потребителям

	Доля потребления топлива, %
Потребитель топлива	Промышленно развитые	Мир в целом
	страны
Электростанции	40	25
Промышленные печи (метал-	20	25
лургия, химия)
Транспорт, двигатели	20	25
Отопление (печи)	10
Котельные (пар,	10	25
горячая вода)

Эффективность производства электроэнергии на различных электростанциях сравнивают по величине промышленного КПД (коэффициента полезного действия), равного отношению количества произведенной электроэнергии к количеству внутренней (химической) энергии, заключенной в использованном топливе. Вели-

чина КПД не превышает 60 % (табл.1.3), варьируясь от страны к стране, и во многих случаях ниже приведенных здесь значений для технологий производства электроэнергии на угольном, нефтяном и газовом топливе.

В целях обеспечения энергетической безопасности и снижения экономических рисков важна диверсификация источников энергии для производства электричества. «Разнообразие энергоисточников – краеугольный камень зрелой энергетики» [1.1]. Как следует из рис. 1.4, в мире в целом примерно по 17 % производства электроэнергии приходится на газ, гидроэнергию и ядерное топливо.

Наибольшее количество электроэнергии (39 %) производится за счет сжигания угля. Экономические риски повышаются, когда превалирует какой-то один источник энергии как, например, газ в России и Нидерландах (более 51 %), уголь в Польше, ЮАР и США (более 50 %) (табл. 1.4), гидроэнергия в Бразилии и Норвегии (более 75 %) или АЭС во Франции (около 80 %).

Таблица 1.3

Сравнение значений промышленного КПД для различных технологий производства электричества

	КПД %	Уголь	Газ	Нефть	Ядерная	Био-	Солнце
					энергия	масса
	60
	50
	40
	30
	20
	10
	0

Структура потребления электроэнергии в разных странах отражает «степень комфортности» быта граждан. Как следует из табл. 1.5, в России, в отличие от США, существенно меньше электроэнергии по-

требляется в непроизводственной сфере (домохозяйства, сфера услуг), что свидетельствует о больших резервах в оснащении населения России бытовой техникой и услугами. Электрификация сферы услуг и быта людей остается для России одной из самых социально значимых и экономически приоритетных задач. Это обстоятельство является мощным стимулом для развития электроэнергетики в России.

Таблица 1.4

Структура производства электроэнергии в США, России и мире в 2005 г.

	Тип электростанции		Доля производства электроэнергии, %
			США		Россия		Мир
	ТЭС на угле	50			17		39
	АЭС	20			16		17
	ТЭС на газе	18			52		17
	ГЭС	6,5			15		17
	ТЭС на нефти	2,5			-		8
	ТЭС на биотопливе и др.	3			-		2
	Всего	100			100		100
							Таблица 1.5
	Структура потребления электроэнергии в США
	и России в 2005 г., кВт ч на душу населения
	Потребитель		США				Россия
	Промышленность		3 300				4 150
	Коммерческий сектор		4 120				480
	Домохозяйства		4 360				990

В ближайшем будущем потребуются дополнительные затраты энергии на поддержание плодородия почв и обеспечение продук-

тами питания людей, на опреснение морской воды в регионах с недостатком пресной воды, повторное использование ресурсов, охрану окружающей среды, производство водорода как перспективного энергоносителя. По оценкам [1.11] для получения 1 т зерна на землях, орошаемых опресненной водой, придется сжечь 10 т нефти.

Если предположить, что для поддержания высокого уровня жизни, присущего сегодня населению высокоразвитых стран, в будущем потребуется увеличить потребление первичной энергии (энерговооруженность) во всех странах до 10 – 20 кВт на одного человека, то при ожидаемой численности населения Земли к концу ХХI в. 10 – 12 млрд чел. годовое производство энергии в мире должно быть на уровне 10Q. Такое количество энергии (10Q) человечество израсходовало за все время своего существования до 2000 г. По оценкам ряда специалистов Земля не выдержит антропогенного производства энергии более 10Q в год.

1.4. Топливно-энергетический комплекс

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) – это часть народного хозяйства, включающая всю совокупность предприятий, установок и сооружений, а также связывающих их хозяйственных отношений, которая обеспечивает добычу природных энергоресурсов и функционирование всей цепочки их преобразования до конечных установок потребителей энергии [1.6], [1.12]. В составе ТЭК различают четыре основные части (подсистемы):

1)топливодобычу и топливоснабжение, т.е. добычу первич-

ных источников энергии (уголь, нефть, газ, дрова, торф, уран и др.), их переработку (сортировку, очистку, обогащение, сепарацию и др.) и доставку топлива на перерабатывающие предприятия или потребителю;

2)преобразование и генерирование энергии, т.е. получение тепловой, электрической, механической и другой энергии из первичных или переработанных энергоресурсов;

3)транспорт энергии, т.е. распределение и передачу преобразованной энергии к потребителям (по линиям электропередачи, нефте- и газопроводам, речными и морскими судами и др.);

4) потребление энергии в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в обогревающих и отопительных устройствах, в быту и т.д.

ТЭК страны имеет многочисленные функциональные связи со смежными отраслями народного хозяйства.

Взависимости от стадии преобразования энергии в ТЭК приня-

то различать первичную энергию, подведенную и конечную. Ино-

гда две последних называют вторичной энергией. Первичная энергия – энергетические ресурсы, извлекаемые из окружающей среды: все виды топлива (включая ядерное), механическая энергия воды (рек, приливов) и ветра, энергия Солнца, тепло недр Земли и океанской воды и др. Подведенная энергия – энергоносители, получаемые потребителями: жидкое, газообразное и твердое топливо; электроэнергия; пар и горячая вода; носители механической энергии. Конечная энергия – форма энергии, непосредственно применяемая

впроизводственных, транспортных или бытовых целях: электронная, механическая, световая, тепловая, химическая, звуковая и т.п.

Вструктуре ТЭК важное место для жизнеобеспечения людей

занимают электроэнергетика, централизованное теплоснабже-

ние и теплофикация [1.6], [1.12]. Электроэнергетика – часть ТЭК, обеспечивающая производство и распределение электроэнергии и тепла. Электроэнергия производится на тепловых (ТЭС), атомных (АЭС) и гидроэлектростанциях (ГЭС), а также на ветряных, приливных и иных электростанциях. Централизованное теплоснабжение – часть ТЭК, обеспечивающая производство и распределение пара и горячей воды от источников общего пользования (котельные, бойлерные и др.). Теплофикация – часть электроэнергетики и централизованного теплоснабжения, обеспечивающая комбинированное производство электроэнергии, пара и горячей воды на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) и магистральный транспорт тепла. Характерные значения КПД для энергоустановок составляют: 90 – 97 % для ГЭС, 50 – 75 % для ТЭЦ (с учетом утилизации тепла), 33 – 42 % для ТЭС и 28 – 33 % для АЭС (см. табл. 1.3).

Главной особенностью производства тепловой и электрической энергии является невозможность накапливать их в значительных количествах, так как нет рентабельных крупных аккумуляторов тепла и электричества. Невозможность «работы на склад» порождает жесткую связь производства и потребления энергии во време-

ни (суточные и сезонные графики потребления). В каждый момент времени электростанция должна производить столько электроэнергии, сколько ее потребляется в тот же момент времени. В связи с непрерывным изменением потребления энергии для каждой электростанции устанавливается график нагрузки, т.е. график (диаграмма) изменения мощности во времени (рис. 1.5). Обычно различают четыре типа суточного графика нагрузки – для нормального рабочего дня, субботы, воскресенья и понедельника. Суточный график нагрузки чаще всего имеет два пика – утренний и вечерний, и два провала – дневной и ночной. Нижнюю часть графика нагрузки принято называть базовой нагрузкой, а верхнюю – пиковой. Недельная неравномерность связана с уменьшением нагрузки с пятницы до воскресенья и с резким повышением к понедельнику. Существует также сезонная неравномерность нагрузки, обусловленная климатическими условиями в стране.

Гидро- и атомные электростанции работают только в базовом режиме. Пиковые суточные нагрузки в энергосистеме покрывают специальные установки, как правило, с газовым топливом.

Важнейшее значение при планировании, организации и управлении ТЭКом имеют топливно-энергетические балансы, в которых отражается качественное и количественное согласование производства и потребления всех видов топлива и энергии в стране или отдельном регионе.

1.5. Динамика потребления энергии

За последние 150 лет годовое энергопотребление в мире выросло почти в 30 раз (табл. 1.6 и рис. 1.6) с ежегодным приростом около 3 %, достигнув 15 ТВт год в 2005 г., а энерговооруженность человека выросла за это время в 5 раз. Большой интерес представляет сравнение роста населения с ростом потребления энергии как главного ресурса. Обработка исторических данных показывает (см. табл. 1.6), что суммарное потребление энергии Е за год пропорционально квадрату численности N населения Земли: Е ~ N2, а энерговооруженность человека w пропорциональна первой степени N:

w(Вт) ≈ 465 N(млрд).