Ресурсы для будущего производства электроэнергии

При рассмотрении нашего будущего, уходящего за 2010 год, возникает несколько практических вопросов, которые нельзя упускать. Один из них — масштаб времени.

Принятие решений сегодня об остановке относительно крупных базисных электростанций, означает, что реально они могут быть выведены из эксплуатации лишь через пять-десять лет. Можно даже ожидать, что срок их службы будет продлен до 40 лет.

Таким образом, сегодняшние инвестиционные решения относительно больших электростанций не могут существенно изменить действующие системы энергоснабжения страны, по крайней мере, в течение двух или трех десятилетий. Британские ядерные программы 1950;ых годов, например, были рассчитаны на два десятилетия, чтобы достичь прироста электроэнергии всего на десять процентов.

Даже газовые турбины, которые можно вводить в эксплуатацию в течение двух лет, и которые являются все более и более популярными, реально не смогут в короткие сроки изменить систему энергоснабжения страны.

Если же рассматривать использование и внедрение новых технологий, еще только проектируемых, требуемое время растянется до двух, трех десятилетий. Следовательно, многие технологии, используемые сегодня, будут неизбежно актуальны еще в течение нескольких десятилетий.

Другой практический вопрос имеет отношение к размерам. В некоторых случаях малое предпочтительнее большого, а при низких трудовых затратах, оказывается эффективнее.

Рисунок 3.

Рисунок 4.

В горнодобывающей промышленности и производстве электроэнергии, однако, реальные размеры электростанций и сопутствующих объектов определяют и экономические показатели. Там где масштабы сокращаются, стоимость единицы продукции непреклонно увеличивается. Строительство стандартных электростанций крупного масштаба неизбежно в урбанизированных и индустриальных странах, где большие запросы в электроэнергии сконцентрированы в малых областях.

Таким образом, существование этих двух проблем, первой — достаточно долгого срока разработки и внедрения новых технологий, и второй — необходимости строительства крупномасштабных объектов, требуют осторожной оценки будущих тенденций в производстве электроэнергии, гарантирующих удовлетворение постоянно растущих потребностей. Кроме того, используемые технологии должны полностью соответствовать поставленным задачам. Поэтому вопрос состоит в том, как из существующего многообразия способов производства электроэнергии выбрать наиболее подходящие для конкретного места в конкретное время. Какие же здесь есть варианты?

Энергосбережение: Один из вариантов заключается в использовании меньшего количества энергии и строгом ее сохранении, преимущественно путем увеличенная энергоотдачи. Этот подход может быть применен как ко многим приложениям в развитых странах, так и к новым энергетическим объектам во всех странах. Если бы США, Великобритания и Япония могли бы, например, использовать меньшее количество электроэнергии, то это позволило бы вывести из эксплуатации электростанции, работающее на жидком топливе, в двух из этих стран, и заметно уменьшить его использование в третьей. Проблемы энергосбережения подробно рассмотрены в разделе 1.5. Заметим, что такой подход, однако, дает больший эффект на уровень потребления полной энергии чем на фактический уровень производства электроэнергии, и приводит к увеличению доли использования электроэнергии в картине полного энергопотребления.

Нефть: В 1994 нефть обеспечивала 11% всего производства электроэнергии, и значительное количество нефти все еще используется сегодня, даже для базисного производства энергии в некоторых странах. Нефть — уникальный источник энергии с точки зрения его энергоемкости и сравнительной простоты транспортировки. Кроме того, как нефть, так и газ имеют важные применения в нефтехимической промышленности в качестве исходного сырья для производства пластических масс и фармацевтических изделий. Использование продуктов переработки нефти для производства электроэнергии в местах рационального расположения иных топливных ресурсов неэффективно. В Австралии и Канаде, например, нефть используется для производства электроэнергии лишь в областях, отдаленных от ресурсов природного газа и каменноугольных бассейнов, и в относительно небольших масштабах.

Природный газ: Использование природного газа в Австралии для производства электроэнергии заметно увеличилось начиная с 1970;ых годов, а в Канаде его использование, начиная с 1985 года, хотя и удвоилось, но все еще дает небольшой общий вклад в производство энергии (не более 3%). В целом, однако, газ имеет довольно большое значение для производства электроэнергии в мире. В 1994 году его доля в мировом производстве электроэнергии составляла около 14%, и этот вклад непрерывно увеличивается. Использование газа приводит к меньшим выбросам углекислого газа в атмосферу, чем использование угля, и поэтому в некоторых странах одобрено его применение для базисного производства энергии с постепенным замещением угольного топлива. Природный газ — незаменимый и полезный ресурс. Его можно выкачивать из земли, легко и экономно транспортировать в трубопроводах на большие расстояния, подводить к отдаленным населенным пунктам, где его использование может быть очень эффективным (до 90% с учетом потерь при транспортировке). Газ может быть превращен в жидкость для отгрузки морским транспортом (например, Япония и Корея получают газ именно таким способом). Кроме того, газ — ценное химическое сырье, используемое для производства различных товаров. Это означает что крупномасштабное использование этого топлива для производства электроэнергии там, где менее доступны альтернативные способы, может привести к серьезным проблемам. Возможно наши внуки будут сожалеть, что их предки не были настолько прозорливы чтобы ограничить в свое время использование газа на планете и оставить хоть какую-то часть им. В любом случае исключительная роль природного газа как топлива для производства энергии, так или иначе, приведет к повышению его стоимости в будущем и он, вероятно, станет менее конкурентоспособным для базисного производства электроэнергии.

Уголь: Из всех видов топлива для базисного производства электроэнергии, уголь в настоящее время наиболее важен. Уголь играет определяющую роль в снабжении энергией большинства стран и в настоящее время дает 39% всей электроэнергии в мире. Современные угольные электростанции стали более эффективными чем в прошлом, и при небольших дополнительных затратах их влияние на окружающую среду, вызванное сжиганием углей с высоким содержанием серы, может быть значительно уменьшено. Добыча угля на больших карьерах обходится довольно дешево, но затраты на его транспортировку на большие расстояния делают этот вид топлива менее привлекательным. Если большие количества угля, добытые в одном месте, отправляются поперек континента или через океан в другое место (например, из Австралии или Канады в Японию или Европу), то транспортировка приводит к таким затратам, что стоимость получаемой электроэнергии становится слишком высока. Подобно нефти и газу, уголь имеет важные применения не только в качестве топлива. Углерод, например, содержащийся в угле, необходим в больших количествах для выплавки металлов. Хотя природные ресурсы угля довольно большие, вопросы его сохранения сегодня становятся все более и более важными.

Уран: Единственным топливом, которое может стать реальной альтернативой для базисного производства электроэнергии, является в настоящее время уран. В то время как горнодобывающая промышленность производит и обрабатывает большие количества руды, две или три 200 литровые бочки двуокиси урана (U308) содержат достаточно энергии для обеспечения таких больших городов как Торонто или Сидней. Урановое топливо очень компактно и имеет огромные преимущества с точки зрения охраны окружающей среды. Противники уранового топлива часто утверждают, что по сравнению с углем, использование ядерного топлива имеет слишком много нерешенных проблем. Заметим, однако, что уже прошло более сорока лет с момента запуска первого коммерческого реактора, и более половины столетия с того момента, как люди научились управлять цепной реакцией ядерного деления.

За это время в мире накоплен огромный эксплуатационный опыт работы коммерческих реакторов, составляющий приблизительно 9500 реакторо-лет, и примерно такой же опыт эксплуатации аналогичных (но несколько меньших) ректоров, используемых в морском флоте. Сегодня в эксплуатации в 32 странах мира находятся более 430 ядерных реакторов, которые дают 16% мирового производства электроэнергии.

Большое количество атомных электростанций находятся сейчас в стадии строительства. Во многих странах удовлетворены надежностью, безопасностью и экономическими характеристиками ядерной энергии по сравнению с углем или нефтью. Во многих странах по крайней мере третья часть потребляемой электроэнергии производится на ядерных реакторах. Франция, например, сегодня производит три четверти своей электроэнергии на ядерных реакторах и является мировым лидером в ее экспорте. В Таблице 5 приведены различные типы ядерных реакторов, используемых в настоящее время для генерации электричества. Атомные электростанции CANDU, например, лучше других используют ресурсы ядерного топлива, и могут функционировать на разновидностях низко обогащенного топлива, включая топливо, отработанное на других типах реакторов. Реакторы на быстрых нейтронах имеют возможность значительного увеличения выхода электроэнергии при использовании известных резервов урана. Исключая военное использование и использование в энергетических установках на морских судах, уран не имеет никаких других применений кроме как для производства электроэнергии и создания медицинских и промышленных изотопов. По крайней мере, 95% мировой добычи урана идет сегодня в производство электроэнергии. Потенциал ядерной энергии, использующей уран в качестве топлива для генерации электричества, наиболее важен для развитых стран, которые имеют большие потребности в электроэнергии.

Сегодняшние атомные электростанции имеют энергоблоки мощностью от 500 до 1300 МегаВатт (МВт). Энергоблоки меньшей мощности экономически нецелесообразны. Однако, в некоторых развивающихся странах потребности в электроэнергии не столь велики и либо не требуют больших генерирующих мощностей, либо используют часть вырабатываемой энергии в других целях, например, в опреснительных установках. В этих случаях, где базисные потребности в электроэнергии удовлетворяются традиционными электростанциями, работающими на жидком топливе, экономически более целесообразно использование реакторов с мощностью в 100 МВт.

Ядерный синтез: Коммерческое использование ядерного синтеза все еще является нашей будущей надеждой. Аналогично поиску способов использования солнечного света, человечество в течение долгого времени пытается приручить процессы, происходящие на Солнце, которые дают свет и тепло Земле. Эти процессы называют термоядерным синтезом (в отличие от процессов ядерного расщепления). Один из способов для достижения управляемого термоядерного синтеза состоит в слиянии ядер дейтерия и трития (тяжелых изотопов водорода) при очень высоких температурах — приблизительно 100 миллионов градусов. Пока не существует надежных методов стабильного поддержания таких высоких температур. Однако, интенсивные исследования в этом направлении постоянно продолжаются, особенно в США, Японии, Европе и России, и, возможно, в следующей половине нынешнего столетия энергия, выделяемая при термоядерном синтезе, будет использоваться для производства электроэнергии. Будущие технологии термоядерного синтеза стали бы наиболее подходящим инструментом для обеспечения энергией крупных городов и индустриальных областей. Дейтеривым топливом относительно богата морская вода, а тритий может быть получен или из лития, или произведен в ядерных реакторах с замедлителем из тяжелой воды. Почти безграничная энергия стала бы нам доступна, если бы была достигнута управляемая реакция синтеза двух ядер дейтерия, но протекание такой реакции требует намного более высоких температур, чем реакция слияния трития и дейтерия. Управляемый синтез обыкновенных ядер водорода (как это происходит на солнце), кажется маловероятным для достижения его на Земле, поскольку условия протекания такой реакции «сверхэкстремальные». Большое преимущество всех этих реакций — это совершенно незначительное количество радиоактивных отходов. К недостаткам следует отнести высокую стоимость проектов, высокую стоимость производства газа трития и высокий уровень наведенной радиоактивности в конструкциях термоядерных установок. [2].