Харитонов Енергетика-Технико-економические основы 2007

оружие или борьба за власть и материальные блага – вот последний вызов энергии и творческим способностям рода человеческого» – таков вывод авторов отчета Римскому клубу.

Действительно, на всем пути развития человечество в целом всегда располагало достаточными ресурсами, и человек их осваивал, расселяясь по Земле и увеличивая эффективность производства. При этом общий рост населения планеты оставался неуклонным. По мнению ряда исследователей (см. [1.14], [1.15]) до настоящего времени отсутствует прямое влияние внешних факторов (окружающей среды и ресурсов) на пределы роста. Оптимисты полагают, что природные ресурсы не ограничены в своей величине

ине могут быть исчерпаны. Скорее верно обратное – многие ресурсы создаются трудом и изобретательностью человека. В технике

итехнологиях есть неограниченный резерв по производству новых ресурсов [1.14], [1.15]. Авторы «взрывной дейтериевой энергетики» [1.11] утверждают, что физических ограничений для получения громадного количества экологически чистой энергии нет.

Однако рано или поздно в более отдаленном будущем встанет вопрос о влиянии человечества на окружающую среду в планетарном масштабе и обратном влиянии глобальных условий существования на развитие человечества. Работы Римского клуба, концепция «устойчивого развития» (sustainable development), сформулированная в 1992 г. на Международной конференции в Рио-де-Жанейро, а также Киотский протокол об ограничении эмиссии парниковых газов свидетельствуют о быстром приближении этого времени.

1.9. Географические и климатические особенности энергетики России

Около 95 % территории России расположены севернее широты, по которой проходит северная граница США (широта Ростова-на-Дону). Сравнительно приемлемые агроклиматические условия (называемые условиями рискованного земледелия) характерны для малой части территории страны, где и сосредоточена основная часть населения. В высокоширотных районах нормальное товарно-рыночное производство, как правило, нерентабельно. Причина – возрастание затрат до 7 раз по сравнению с районами массового проживания людей [1.7]. Однако именно в этих районах находится 60 – 95 % важнейших ресурсов России – энергоносителей, редких металлов, драгоценных камней, золота, леса. Особенно неблагоприятны здесь условия добычи энергоносите-

лей, которые не относятся к продукции с высокой удельной стоимостью как золото или драгоценные камни. Кроме того внутриматериковое, отдаленное на тысячи километров от районов потребления, расположение месторождений энергоресурсов обусловливает неизбежность транспортировки нефти и газа почти целиком по суше – трубопроводами. Удельная стоимость газопровода Ямал–Восточная Германия длиной 4200 км в 6 раз выше, чем транскавказского нефтепровода Баку – Поти длиной 920 км – 1,8 и 0,3 млн дол. за километр соответственно [1.7]. Такая разница в цене – влияние отдаленных северных условий сооружения.

Огромная сухопутная протяженность (11 часовых поясов) обрекает экономику России на дорогой железнодорожный грузооборот подавляющей части (80 % в 1996 г.) валового продукта. Продукта, получаемого к тому же с повышенными затратами из-за дорогих энергоносителей и более суровых климатических условий.

По этим причинам жить в России труднее. Для того, чтобы обеспечить такой же, как в Западной Европе (не говоря о США), уровень жизни, удельные средние затраты энергии на одного человека должны быть в 2–3 раза выше, чем сейчас, даже при равенстве технологий, производительности труда и уровня организации материального производства. Непонимание этого порождает различные иллюзии и мифы. Тем временем на долю северотюменской нефтегазовой провинции пришлось 96 % общероссийского объема газодобычи и около 70 % нефтедобычи (на 1996 г.). Доля природного газа в объеме топливопотребления страны достигла 55 %, а в европейской части – 80 %. В производстве электроэнергии доля газа превысила 60 %. То есть энергетика Европейской части России, где проживает 80 % населения, приблизилась к моногазовой, а экономика страны «посажена на нефтегазовую иглу» длиной до 3,5 тыс. км [1.7]. Образовалась гигантская, невиданная в мире, концентрация зависимости топливно-энергетической отрасли, а значит и экономики России, от удаленного локального источника.

Как только Россия вступила на рыночный путь – сразу дали о себе знать ее географические особенности, ставшие одной из главных причин превышения внутрироссийских цен над мировыми. Выход из этой российской энергоэкономической проблемы был начат в 70-х годах, когда был взят курс на высокие энерготехнологии – ядерные. Их экономические показатели не зависят ни от климата, ни от места использования [1.7]. АЭС как бы предрасположены именно к уникальным географическим особенностям России.

Топливная составляющая электроэнергии АЭС почти в 10 раз меньше, чем на тепловых электростанциях.

Железные дороги России, обеспечивающие 80 % ее грузооборота, потребляют 5 % электроэнергии, из которых 90 % потребляется железными дорогами Европейской части. АЭС, вырабатывающие 17 % электроэнергии и расположенные здесь же, могли бы взять на себя электроснабжение железных дорог вдвое более дешевой электроэнергией, чем она приобретается по тарифам из энергосистем РАО «ЕЭС России». Это позволило бы на 35 – 40 % снизить стоимость тонно-километра и цены на билеты.

Еще один – военный – аспект. Существует вероятность разрушения АЭС любым, даже обычным оружием. Это сопровождалось бы глобальным выбросом радиоактивности планетарного масштаба. Поэтому наличие АЭС во всех развитых странах (в значительно большем масштабе, чем в СССР) обеспечивает стратегическую стабильность равновесия возмездия. Это гарантирует национальную безопасность развития ядерной энергетики в любой стране, чего нельзя сказать об обычных электростанциях: чем больше их доля в электроэнергетике страны, тем больший риск их поражения и больший ущерб для ее экономики в случае их разрушения.

Таким образом, ядерно-энергетические технологии являются единственным средством для прямого и опосредованного решения проблем экономики, экологии и достижения главной социальной цели государства – повышения благосостояния народа.

Упражнения и задачи к главе 1

1.1.С какой высоты должен падать камень массой 2 кг, чтобы перед падением на землю иметь кинетическую энергию 20 Дж? Ответ: чуть больше 1 м.

1.2.При взрыве 200 г тротила (калорийность 4 МДж/кг) выделяется энергия 0,8 МДж, способная разрушить многоэтажный дом. Метеорная частица какой массы может спровоцировать такое энерговыделение при встречном столкновении с космическим кораблем (частица и корабль движутся со скоростями 8 км/с навстречу друг другу)? Ответ: около 6 г.

1.3.Электрический чайник мощностью 1,5 кВт работал непрерывно 10 мин для нагрева воды. Сколько израсходовано энергии за это время? Отметьте все правильные ответы (1 ТУТ = 1000 кг условного топлива (УТ) = 7·106 ккал).

№ п/п	Ответ
1	0,25 кВт· ч
2	0,9 МДж
3	15 кВт. мин
4	≈215 ккал
5	≈30 г УТ
6	9,105Дж

1.4. Среднее душевое потребление энергии в мире составляет приблизительно 2 ТУТ/(чел. год). Эту величину можно выразить в других единицах измерения. Отметьте все правильные ответы (в году

365 сут.).

№ п/п	Ответ
1	14000000 ккал
2	38400 ккал/(чел·сут.)
3	1,85 кВт/чел.
4	1850 Дж/(чел. с)

1.5. Производство электроэнергии в мире увеличивается с течением времени приблизительно по экспоненциальному закону: W(t) = W0exp(kt). Какой график правильно изображает эту зависимость?

1.6. Добыча нефти в России возросла с 1910 по 1980 г. приблизительно в N = 1000 раз. Каков период τ2 удвоения добычи нефти? (Предположить, что добыча увеличивается по экспоненциальному закону.) Приведите расчетную формулу и отметьте все правильные ответы.

№ п/п	Ответ
1	7 лет
2	10 лет
3	70·ln2/ln 1000
4	14 лет
5	84 мес.

1.7. Добыча нефти в России возросла с 1910 по 1980 г. приблизительно в N = 1000 раз. Каков ежегодный прирост добычи нефти? (Предположить, что добыча увеличивается по экспоненциальному закону.) Приведите расчетную формулу и отметьте все правильные ответы.

№ п/п	Ответ
1	10 %
2	7 %
3	(10/7)ln1000 %
4	9,86 %
5	14 %

1.8.Докажите, что в первые 20 лет XXI в. прирост энергопотребления в мире будет больше, чем за все время существования человечества до 2000 г., если темпы роста потребления энергии сохранятся на уровне 3,5 % в год.

1.9.Пусть две страны А и В развиваются по экспоненциальному закону, т.е. их годовой валовый внутренний продукт (ВВП) на душу населения изменяется с течением времени t по формулам

WA= W0Aexp(kAt), WB= W0Bexp(kBt),

где W0A и W0B – ВВП в начальный момент времени рассмотрения (t = 0) в странах А и В; kA и kB – темпы развития экономики в странах А и В. Пусть в начальный момент времени ВВП в стране В

меньше, чем в стране А, т.е. W0A > W0B. Например, W0A = 3 W0B, kA = 0,03 1/год, т.е. 3 % в год. Каким должен быть темп kB развития

страны В, чтобы через t = 10 лет ВВП в обеих странах сравнялись? Решение. Рассмотрим отношение ВВП в странах А и В в любой

момент времени t:

WA = W0 A exp[(k A − kB ) t ].

WB W0 B

Отсюда следует, что при kA > kB страна В никогда не догонит страну А, поскольку экспонента в этом случае всегда больше 1 и растет с течением времени.

Логарифмирование этого выражения дает kB = k A + 1 ln(W0 A WB ).

tW0 B WA

Если в момент времени t ВВП обеих стран сравниваются, то WA / WB= 1. Тогда

kB = k A + 1 ln(W0 A ). t W0 B

При W0A / W0B = 3 имеем ln(3) = 1,1 и kB = 0,03 + 1,1/10 = 0,14,

т.е. 14 % в год. При меньших темпах роста экономики страны В она сможет догнать страну А через больший промежуток времени. Например, при kB = 0,05 (ежегодный прирост ВВП 5 %) это произойдет через

t =	1	ln(	W0 A	) = 1,1/ 0,02 = 55 лет.
	kB − k A
		W0 B

То есть практически за пределами жизни одного поколения.

Список литературы к главе 1

1.1. Велихов Е.П., Гагаринский А.Ю., Субботин С.А., Цибульский В.Ф. Россия в мировой энергетике XXI века. – М.: ИздАт,

2006. – 136 с.

1.2. Лаверов Н., Канторович А. Топливно-энергетические ресурсы и выход России из кризиса // Экономические стратегии. –

1999. – № 2. – С.45 – 62.

1.3. Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рэндерс Й., Беренс В. Пределы роста / Пер. с англ.; Под ред. Г.А.Ягодина. – М.: Изд-во МГУ,

1991. – 207 с.

1.4. Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рэндерс Й. За пределами роста. – М.: Прогресс, 1994.

1.5. Ядерное нераспространение: Учеб. пособие / Г.М. Пшакин, Н.И. Гераскин, В.А. Апсэ, В.Б. Глебов, Ю.А. Коровин, В.М. Мурогов, В.Н. Соснин, В.И. Савандер, А.Н. Шмелев – М.:

МИФИ, 2004. – 296 с.

1.6.Основы современной энергетики: Курс лекций для менеджеров энергетических компаний. В двух частях / Под общ. ред. чл.- корр. РАН Е.В. Аметистова. – Часть 1. Трухний А.Д., Макаров А.А., Клименко В.В. Современная теплоэнергетика. – М.:

Изд-во МЭИ, 2002. – 368 с.

1.7.Корякин Ю.И. Окрестности ядерной энергетики России: новые вызовы. М.: ГУП НИКИЭТ, 2002. – 334 с.

1.8.Козловский Е.А. Минерально-сырьевые проблемы России накануне XXI века. – М.: Русский биографический ин-т при участии изд-ва МГУ, 1999. – 401 с.

1.9.Белая книга ядерной энергетики / Под общ. ред. проф. Е.О. Адамова. – М.: Изд-во ГУП НИКИЭТ, 2001. – 270 с.

1.10.Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и прерспективы для энергетики / Под ред. Б.Ю. Шарко-

ва. – М.: Физматлит, 2005. С. 220 – 262.

1.11.Взрывная дейтериевая энергетика / Г.А. Иванов, Н.П. Волошин, А.С. Ганеев, Ф.П. Крупин, С.Ю. Кузьминых, Б.В. Литвинов, А.И. Свалухин, Л.И. Шибаршов. – Снежинск: Изд-во РФЯЦ-

ВНИИТФ, 2004. – 288 с.

1.12.Безопасность России. Правовые, социально-экономические

инаучно-технические аспекты. Энергетическая безопасность (ТЭК

игосударство). – М.: МГФ «Знание», 2000. – 304 с.

1.13.Безопасность России. Правовые, социально-экономические

инаучно-технические аспекты. Энергетическая безопасность (Проблемы функционирования и развития электроэнергетики). – М.:

МГФ «Знание», 2001. – 480 с.

1.14.Капица С.П. Общая теория роста человечества. – М.: Нау-

ка, 1999. – 190 с.

1.15.Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика

ипрогнозы будущего. 2-е изд. – М.: Эдиториал УРСС, 2001. – 288 с.

1.16. Ядерная энергетика, человек	и	окружающая среда /
Н.С. Бабаев, В.Ф. Демин, Л.А. Ильин	и	др.; Под ред. акад.

А.П. Александрова. 2-е изд. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 312 с.

Глава 2

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

2.1. Гидроэнергия и гидроэлектростанции

Человечество более 14 веков назад освоило преобразование потенциальной энергии воды в механическую энергию вращения водяного колеса, которое системой приводов заставляло работать мельницы, воздуходувки в кузницах и т.п. Гидроэнергия относится к числу возобновляемых источников энергии. Преобразование гидроэнергии в электричество с помощью динамомашин, изобретенных в начале XIX в., на гидроэлектростанциях (ГЭС) началось в конце того же века. В 2005 г. на ГЭС в мире вырабатывалось около 17 % электроэнергии, в России – около 15 %.

Физические принципы процесса преобразования энергии падающей воды в электроэнергию хорошо известны, но технические детали достаточно сложны [2.1] – [2.3]. Основные сооружения гидроэлектростанции – плотина, создающая водохранилище и необходимый перепад уровней воды (напор), и здание ГЭС, в котором размещено электрическое и механическое оборудование. Водное пространство перед плотиной называют верхним бьефом, а ниже плотины – нижним бьефом. Вода под действием силы тяжести движется по водоводам плотины из верхнего бьефа в нижний, вращая рабочее колесо турбины (рис. 2.1). Турбина вращает вал, к которому присоединен ротор генератора, вращающийся в магнитном поле статора. Турбина и генератор вместе образуют гидроагрегат.

Таким образом, на ГЭС происходит преобразование энергии по цепочке: потенциальная энергия воды – кинетическая энергия воды – механическая (вращательная) энергия ротора – электрическая энергия. Коэффициент полезного действия ГЭС обычно составляет

85 – 90 %.

Найдем зависимость мощности ГЭС от расхода воды через плотину, G кг/с, и от напора Н, равного разности уровней воды до и после плотины. Максимальная величина потенциальной энергии некоторой малой массы воды m (перед плотиной) относительно

нижнего уровня воды (после плотины) составляет E = m·g·H. При постоянной скорости течения воды с массовым расходом G кг/с за время t через плотину протечет масса воды m = G· t, а потенциальная энергия этого количества (массы) воды составит

E = G·g·H·	t. При 100 % КПД гидроагрегата получится такое же
количество	электроэнергии.	В	действительности	КПД ГЭС
η = 0,85 – 0,90. Тогда отношение			E/ t, помноженное на η, пред-
ставляет собой мощность ГЭС:
	W = η E/ t = η G·g·H.			(2.1)
Как видно, мощность ГЭС		тем больше, чем выше плотина

(больше Н) и чем больше расход воды G.

Оценим мощность равнинной ГЭС с напором Н = 10 м. Если скорость течения реки u = 4 км/ч ≈ 1м/с, площадь поперечного сечения русла реки S = 10000 м2 (при глубине 20 м и ширине 500 м), то массовый расход воды составит G = ρuS = 1000·1·10000 = = 107 кг/с. Мощность ГЭС при КПД гидроагрегатов η = 0,9 равна W = 0,9·107·9,8·10 = 0,88·109 Вт ≈ 1 ГВт. Такую же электрическую мощность дает серийный ядерный реактор ВВЭР-1000. СаяноШушенская ГЭС в верховьях Енисея в Саянских горах (юг Красноярского края) имеет плотину высотой 250 м и мощность более 6 ГВт. Красноярская ГЭС на Енисее имеет высоту около 130 м, Братская ГЭС – около 120 м.

Выработка электроэнергии на ГЭС за год определяется накопленным запасом и напором воды и характеризуется значительной сезонной неравномерностью. Для большинства рек России маловодный период наблюдается зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая. Чтобы избавиться от этой неравномерности поверхностного стока воды сооружают водохранилище большой емкости в реке выше ГЭС (см. табл. 2.1).

Для создания таких водохранилищ порой требуется затопить огромные территории, занятые сельхозугодьями, лесными массивами, населенными пунктами, промышленными предприятиями. Водохранилища, образованные плотинами ГЭС, могут оказывать вредное воздействие на окружающую среду: уничтожать уникальную флору и фауну, сокращать сток рек и сезонные паводки, наносить ущерб ландшафту, вызывать климатические изменения, уве-

личивать давление на земную кору и тем самым создавать напряжения в породе, что может вызвать землетрясения.

Таблица 2.1

Объем и площадь водохранилищ некоторых крупных ГЭС

Водохранилище	Объем водохрани-	Площадь водохрани-
	лища, км3	лища, км2
Куйбышевское на Волге	58	6000
Рыбинское на Волге	25	4600
Братское на Ангаре	35	5400
Лейк-Мид (ГЭС Боулдер, США	44	5000

Ввиду высокой маневренности ГЭС на них обычно возлагают функцию поддержания частоты тока в энергосистеме, к которой подключена ГЭС. Пуск агрегата (гидротурбина + гидрогенератор) занимает меньше 1 мин. Другой отличительной особенностью ГЭС является небольшое потребление электроэнергии на собственные нужды, которые обычно в несколько раз меньше, чем у тепловых электростанций. Благодаря высокой автоматизации и низким эксплуатационным расходам себестоимость электроэнергии на ГЭС, как правило, в 6 – 8 раз меньше, чем на ТЭС и АЭС. Численность эксплуатационного персонала ГЭС примерно в 20 раз меньше, чем на ТЭС и АЭС. К крупным недостаткам ГЭС относят высокие капитальные затраты на строительство, отчуждение под водохранилища больших земельных площадей, переселение людей (в России при строительстве ГЭС переселено более 800 тыс. чел.) и зависимость от погодных условий.

Мировые потенциальные гидроэнергоресурсы оцениваются в

0,1Q в год, а экономически доступные – в три раза меньше. Наибольшие запасы гидроресурсов находятся в Китае, России, США и Бразилии. В развитых странах значительная часть гидроэнергетического потенциала уже освоена: в Северной Америке – более 60 %, в Европе – более 40 %. Большая часть новых ГЭС будет построена в развивающихся странах, на долю которых приходится около 45 % мировых гидроресурсов. Диапазон мощностей ГЭС