Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
2
Лекция 1.
Общие вопросы развития энергетики
Производство и потребление энергии одна из главнейших характеристик прогресса и экономического уровня развития общества. Энерге́тика – область деятельности человека, служащая для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Целью энергетики является обеспечение производства энергии путём преобразования первичной, природной, энергии во вторичную, например, в электрическую или тепловую энергию. В системе СИ энергия измеряется в джоулях (Дж), в энергетике – киловатт-часах (кВт-ч).
1 кВт-ч = 3,6 МДж
В настоящее время потребление электроэнергии в мире составляет около 143 ПВт-ч (12275 млн т.н.э.), или 21 МВт-ч/чел в год.
Источники электроэнергии в мире
Однако потребление этой энергии по планете является очень неравномерным, так как оно очень велико в нескольких странах и ничтожно в других (см. табл.).
Рейтинг стран мира по уровню потребления электроэнергии
International Energy Agency. IEA Statistics 2012.
|
Место |
Страна |
|
|
1 |
Исландия |
51440 |
|
2 |
Норвегия |
25175 |
|
3 |
Кувейт |
18320 |
|
4 |
Люксембург |
16834 |
|
5 |
Финляндия |
16483 |
|
6 |
Канада |
15137 |
|
7 |
Катар |
14997 |
|
8 |
Швеция |
14939 |
|
9 |
США |
13394 |
|
10 |
ОАЭ |
11044 |
|
11 |
Австралия |
10286 |
|
12 |
Бахрейн |
9814 |
|
13 |
Южная Корея |
9744 |
|
14 |
Новая Зеландия |
9566 |
|
15 |
Бруней |
8759 |
|
16 |
Япония |
8394 |
|
17 |
Бельгия |
8388 |
|
18 |
Австрия |
8356 |
|
19 |
Сингапур |
8307 |
|
20 |
Швейцария |
8175 |
|
21 |
Саудовская Аравия |
7967 |
|
22 |
Франция |
7729 |
|
23 |
Германия |
7215 |
|
24 |
Нидерланды |
7010 |
|
25 |
Израиль |
6856 |
|
26 |
Словения |
6521 |
|
27 |
Эстония |
6464 |
|
28 |
Россия |
6431 |
|
29 |
Дания |
6327 |
|
30 |
Чехия |
6321 |
|
31 |
Испания |
6155 |
|
32 |
Ирландия |
6025 |
|
33 |
Оман |
5933 |
|
34 |
Гонконг |
5923 |
|
36 |
Великобритания |
5733 |
|
38 |
Италия |
5384 |
|
42 |
ЮАР |
4803 |
|
55 |
Беларусь |
3564 |
|
56 |
Украина |
3550 |
|
61 |
Литва |
3026 |
|
62 |
Китай |
2944 |
|
96 |
Молдова |
1049 |
|
117 |
Бангладеш |
279 |
|
128 |
Мьянма |
131 |
|
133 |
Эфиопия |
54 |
|
135 |
Гаити |
24 |
До настоящего времени (2011 г.) основным источником получения энергии является органическое топливо и реки.
|
Структура мирового энергопотребления по традиционным видам топлива в 2000 г. и 2011 г. Источник: рассчитано по «BP Statistical Review of World Energy, June 2012». |
Большинство источников энергии обязаны своим происхождением единому первоисточнику – солнцу. Содержащиеся в недрах Земли запасы органического топлива возникли в результате воздействия солнечных лучей на биосферу в процессе длительного развития Земли. Непрерывный круговорот воды в природе совершается также под воздействием солнца.
Солнечная радиация – практически неисчерпаемый и экологически чистый источник энергии. Общее годовое количество поступающей наЗемлю солнечной энергии составляет 1,051018 кВтч, в том числе на поверхность суши приходится 21017 кВтч (Учебное пособие, Минск, 2004 г.). Без ущерба для экологической среды может быть использовано до 1,5 % всей поступающей солнечной энергии.
Единицы измерения. В России в качестве единицы условного топлива принимается 1 тонна условного топлива (т.у.т.) с теплотой сгорания 7000 ккал/кг (удельная теплота сгорания кокса) или 29,3 ГДж/т, или 8,14 МВт-ч/т.
1 т.у.т. 29,3 ГДж/т 8,14 МВт-ч/т
Международное Энергетическое Агентство (IEA) приняло за единицу нефтяной эквивалент TOE (англ. Tonne of oil equivalent). Одна тонна нефтяного эквивалента равняется 41,868 ГДж или 11,63МВт·ч.
1 ТОЕ = 1,43 т.у.т.
Применяется также единица — баррель нефтяного эквивалента (BOE):
1 TOE = 7,11, 7,33 или 7,4 ВОЕ.
Поэтому нетрудно подсчитать, что общее количество солнечной энергии, падающей на Землю в среднем в течение суток, эквивалентно 350 млрд. т.у.т. Путем фотосинтеза может быть усвоена лишь та часть солнечной энергии, которая падает на биологически активные поверхности, составляющие не более 10 % всей поверхности Земли.Если предположить, что реальная эффективность фотосинтеза равна 0,1-1 %, потенциально возможные темпы накопления запасов органического топлива на Земле составляет 15-150 млрд. т.у.т. в год. Из сопоставления этих цифр с оценками существующих запасов органического топлива можно сделать вывод, что действительные темпы образования и накопления запасов органического топлива значительно меньше.
Существуют различные прогнозы потенциальных ресурсов органического топлива, находящегося в недрах Земли. Они не всегда согласуются друг с другом из-за трудностей расчетов, недостаточности данных геологической разведки, различия подходов к извлекаемости, доступности и т.п. Наибольшим авторитетом пользуются оценки, рассматриваемые на международных форумах энергетиков.
По оценкам на 20052006 г. доказанные запасы ископаемых топлив составляют 1,31,5 трлн т.у.т., вероятные запасы 1213 трлн т.у.т., причем ~ 85 % всех запасов органического топлива приходится на уголь, 10 % на нефть и 5 % на газ (по данным мировой энергетической конференцией в Детройте в 2002 г.). Разведка многих труднодоступных районов может выявить значительные дополнительные запасы, а прогресс в технологии добычи и извлечения топлива сделать доступными и экономически приемлемыми для разработки такие месторождения, эксплуатация которых в настоящее время считается заведомо нерентабельной и неперспективной.
Уровень потребления первичных энергоресурсов в мире составляет ~12 млрд т.н.э.: из них нефть (33 %), уголь (30,3 %), газ (23,7 %). Мировое потребление первичных энергоресурсов выросло на 45 % за последние 20 лет, и, вероятно, вырастет еще на 39 % за следующие 20 лет (ВР: Прогноз развития мировой энергетике до 2030 г. Статистический обзор, 2011).
Из-за влияния различных факторов развития мировой экономики темпы роста потребления топливно-энергетических ресурсов будут существенно снижены и предположительно составят в мировом масштабе 1,7 % в год.
Энергопотребление в странах ОЭСР в 2030 г. будет всего на 6 % выше, чем сегодня, и в среднем рост будет составлять 0,3 % в год до 2030 г. После 2020 г. потребление энергии на душу населения в странах ОЭСР начнет снижаться ( -,2 % в год).
Потребление энергии в странах за пределами этой организации, по прогнозам, увеличится почти в два раза (или на 68 %), показывая средний рост в 2,6 %, и на эти страны будет приходиться 93 % мирового роста энергопотребления. Голод на энергоносители в основном одолевает Китай, Индию и остальные быстроразвивающиеся страны.
Мировое потребление ископаемых топлив составляет 12 млрд т.н.э. (по данным British Petroleum ВР, 2003 г.), причем в Европейском союзе 2,0 млрд т.н.э., в США 3,4 млрд т.н.э., в России 1,3 млрд т.н.э. К 2030 г. по прогнозу ВР мировое потребление ископаемых топлив составит 20 млрд т.н.э.
Возобновляемые источники энергии и ядерная энергетика будут наиболее быстро растущими. Тем не менее, топливный баланс будет меняться относительно медленно из-за длительного жизненного цикла активов. В целом доля энергии, произведенной из ископаемого топлива, к 2030 г. снизится лишь до 6575 % (с 87 %). Возобновляемые источники энергии вырастут с 1,8 % до 15 %, и ядерные увеличатся с 5 % до 7 %.
(▲Круглый стол«Роль газовой отрасли в борьбе с изменением климата» Москва, 25 марта 2013 г. Зам. директора Института проблем нефти и газа РАН,Член Совета Директоров Института Энергетической Стратегии д.э.н., академик РАЕН, А. М. Мастепанов)
Рассмотрим, как велики имеющиеся мировые запасы органического топлива и смогут ли они обеспечить непрерывно растущие потребности человечества в энергии. Суммарная потребность в энергоресурсах всех видов на период от наших дней до 2100 г. может составить (из расчета прогнозируемого ВР 1,7 % роста в год) около 2,5-3 трлн т.у.т., т.е. запасы органического топлива без привлечения других источников энергии будут близки к истощению на нашей планете к концу XXI в.
Столь опасное развитие событий может быть предотвращено, если использовать не зависящий от солнечной энергии источник – ядерное топливо, а также эффективно использовать во все больших масштабах возобновляемых под действием солнечного излучения источников энергии – это энергия речных стоков, биотопливо (древесина, этанол, метанол, биодизель, синтез-газ, водород, и др.), установки, основанные на использовании энергии солнца, ветра, тепловой энергии недр и океанов.
Важнейшим фактором научно-технического прогресса является неуклонное повышение эффективности получения, преобразования и расходования энергии. В настоящее время (ВР, 2011 г.) в большинстве стран неуклонно уменьшается энергоёмкость – объём энергии, используемый для производства единица ВВП.
В 1975 г. П. Л. Капица первым обратил внимание на линейную корреляционную зависимость ВВП на душу населения в отдельных странах от потребления энергии. Представляет интерес, как изменилась эта картина в 1993 г.
ВВП и потребление энергии 1993г.▲
Из рис. видно, что за последние 30 лет потребление на душу населения во всех странах существенно возросло, и одновременно произошла резкая дифференциация стран по эффективности использования энергии в т.у.т. на производство единицы ВВП.
В настоящее время существует не одна, а три линии регрессии зависимости ВВП на душу населения от душевого потребления энергии.
Первая линия регрессии описывает эффективность потребления энергии в развитых странах, в число которых входят Испания, Израиль, Италия, Великобритания, Швеция, Швейцария, Нидерланды.
Вторая линия регрессии в точности совпадает с линией регрессии, которая имела место в 1968 г., на ней располагаются Аргентина, Греция, Южная Корея, Австралия, Норвегия и другие.
Особняком среди этих стран стоят США и Канада. США располагается между первой и второй линиями регрессии, а Канада по эффективности энергопотребления существенно отстает от стран второй группы.
Третья линия регрессии описывает эффективность потребления энергии в развивающихся, «сырьевых» странах. В их число входят Венесуэла, Индонезия, Иран, Ирак, Мексика, Пакистан, Филиппины. Для этой группе стран характерно крайне неэффективное использование энергии, при которой рост энергопотребления на душу населения практически не ведет к росту ВВП, назовем эти страны группа IV.
Заметим, что в группах II и III многие страны (Канада, Норвегия, США, Великобритания) являются крупными производителями топливно-энергетических и других ресурсов, но наряду с сырьевыми отраслями в них исключительно высоко развиты и другие отрасли промышленности.
В четвертую входят страны, основу экономики которых составляет продукция топливно-энергетического комплекса.
Из анализа рис. 2 следует интересный факт: существует еще одна группа стран, в число которых входят Швейцария, Дания, Япония, Австрия, ФРГ и Франция. Эти страны отличает исключительно высокая эффективность использования энергии для производства ВВП. Важно отметить, что эти страны не располагают собственными сколько-нибудь значительными ресурсами нефти и газа. Назовем эти страны группа I.
Как изменилась энергоемкость ВВП в настоящее время? Безусловным лидером по эффективности использования энергии на сегодняшний день является Норвегия, не только сократившая примерно в два раза энергоемкость своей экономики, но и обеспечившая при этом более чем двукратный рост ВВП на душу населения. Это факт тем более назидателен, что Норвегия является нефтедобывающей страной. Снижение энергоемкости изменяет прежние пропорции между ростом национального продукта и энергопотреблением: при меньших удельных затратах энергии и живого труда будет обеспечиваться получение больших материальных ценностей и благ. В этих условиях непрерывный ежегодный рост потребления энергоресурсов постепенно может стабилизироваться, а в отдельных странах и регионах даже снизиться по сравнению с достигнутым уровнем.
ВВП и потребление энергии 2004-2009 гг. ▲
По теоретическим расчетам современные мировые потребности в энергии можно было бы обеспечить за счет солнечной энергии, получаемой ежегодно земной поверхностью площадью 22 тыс. км2 при КПД = 1. Если учесть, что средний КПД современных фотоэлементов 1025 %, то для электростанции мощностью 1 ГВт площадь фотоэлементов составит около 10-40 км2. В настоящее время ФЭС генерируют около 1 % мировой электроэнергии.
Другими направлениями альтернативной энергетики являются ветроэнергетика (2,5 % мирового производства электроэнергии), геотермальная энергетика (0,3 %). По прогнозам к 2040 г. доля альтернативных возобновляемых источников энергии (вместе с гидроэнергетикой) должна увеличиться до 25 % в мировом энергобалансе.
Процесс технического освоения и широкого практического внедрения новых источников энергии длится в течение многих десятилетий. В этом отношении открытие в середине XX в. ядерной энергии как нового первичного источника энергии оказалось событием весьма своевременным, т.е. у человечества имеется подстраховка приблизительно на 50 лет для разработки и внедрения новых способов получения энергии. На 17м конгрессе Мирового энергетического совета в Хьюстоне в 1999 г. впервые за последние 20 лет сделан вывод, что энергоресурсов достаточно для стабильного экономического развития всех стран.
Взаимосвязь экономики и энергетики.
Энергетические ресурсы размещены на Земле крайне неравномерно. Это относится ко всем видам органического топлива, к ядерному топливу и энергии рек. Сильно различается расходование и потребление энергоресурсов в индустриально развитых и развивающихся странах. В разной степени разведаны и изучены территории каждой страны в отношении содержащихся в ее недрах запасов первичных энергоресурсов. Тем самым каждая страна или отдельный географический регион характеризуются в данный период времени своей конкретной топливно-энергетической конъюнктурой. Ее определяют наличие запасов топлива, уровень развития транспортных средств, обеспечение грузопотоков топлива и передачи энергии с учетом численности и плотности населения, общее развитие топливно-энергетического хозяйства.
По данным ООН население Земли составило в 2008 г. 6,7 млрд. человек (~ 3,7 в Азии, 0,82 в Африке, 0,64 в Европе), а в 2030 г. может составить 9 млрд. человек. 31 октября 2011 г. ООН объявила День 7 миллиардов, в этот день несколько стран заявили о рождении семимиллиардного человека планеты. Прогноз на 2050 г. – 9,5 миллиардов человек.
Важнейшей характеристикой технического и экономического уровня любой страны является среднее удельное потребление электроэнергии. Как отмечалось в начале лекции, потребление электроэнергии на душу населения в мире 21 МВтч/чел-год в среднем.
Уровень среднего потребления энергоресурсов в развивающихся странах, где проживает три четверти населения нашей планеты, более чем в десять раз ниже, чем в развитых странах. Чтобы выйти во всем мире на уровень 4 Мвтч/челгод, при условии обеспеченности необходимыми капиталовложениями, технологией и кадрами, при современных темпах развития энергетики и народонаселения по самой осторожной оценке потребуется, не менее 40 лет.
Таким образом, в предстоящий период темп развития энергетики и потребление энергии для различных стран и регионов мира будут весьма различны и неравномерны. Овладение промышленной технологией использования ядерного топлива и строительство атомных электро- и теплостанций позволит многим странам быть менее зависимым от географии месторождений органического топлива.
Долгосрочные прогнозы потребления энергоресурсов.
Целым рядом международных и национальных организаций непрерывно ведется прогнозирование мировой потребности в энергии, изучаются долгосрочные аспекты спроса на энергию и возможности его обеспечения. Исходными и признанными являются следующие основные положения:
Бразилия (5 % «зеленой энергии», производимой в мире, власти надеются обеспечить электричеством все 12 мест проведения ЧМ-2014 с помощью солнечной энергетики).
Китай (7,6 %, страна стала лидером по объемам инвестиций в чистую энергетику, половина из которой ветряная).
Испания (7,8 %, в апреле 2012 г. страна установила новый рекорд: 54 % электроэнергии было сгенерировано с помощью ВИЭ, причем на долю гидроэнергетики пришлось 25 % от общего объема сгенерированной в апреле электроэнергии, на долю ветроэнергетики – 22 %, на долю гелиоэнергетики – 4,8 % (3,6 % – массивы солнечных батарей, 1,2 % - солнечные тепловые электростанции)).
Германия (11,7 %, страна взяла на себя довольно спорное обязательство поэтапно отказаться от ядерной энергетики к 2022 г. в пользу других источников.В 2012 г. возобновляемые источники обеспечили 23 % национального потребления электроэнергии, кроме того, страна увеличила ее экспорт до рекордного уровня. Доля «ветровой» электроэнергетики составила 7,3 % или 45 ТВтч, а «солнечной» энергии — 4,6 % или 28,5 ТВтч, в СМИ сообщалось, что в мае, в одни выходные солнечные электростанции обеспечили половину всей электроэнергии).
США (24,7 %).
Если мировая возобновляемая энергетика будет расти такими же темпами, то доля возобновляемых источников энергии к 2030 г. составит 30 %, как, например, считает Генеральный директор Организации Объединенных Наций по промышленному развитию (ЮНИДО) Канде К. Юмкелла. Реальнее стоит оценивать эту долю в 20 %, что в мировом энергобалансе уже будет сопоставимо с основными энергоносителями.
В развитии мировой энергетики наблюдается общая и неуклонная тенденция роста коэффициента электрификации ТЭБа, т.е. доли совокупных энергоресурсов используемой для производства электроэнергии, как самого универсального и удобного вида энергии. В развитых странах коэффициент электрификации составлял в 1981 г. ~ 35 %. В настоящее время приближается к 40 %, такая тенденция сохранится и в XXI в.
По существующим прогнозам к 2020 г. ожидается уменьшение в 2 раза доли углеводородного топлива (нефти и газа) и существенный рост угля ~ в 1,5 раза при росте в 3-4 раза доли атомной энергии. По одному из прогнозов уголь займет первое место и вместе с атомной энергией будет обеспечивать до 60 % ТЭБ. Большая часть добываемого угля будет подвергаться переработке для получения концентрированного и синтетического топлива.
В общем балансе удельный вклад гидроэнергии и других возобновляемых источников составит ~ 13 % (сегодня 20 %). Прогнозы других источников предсказывают сохранение доли угля на уровне 25 % и значительный рост возобновляемых источников (~15 % кроме гидроэнергии), однако во всех случаях прогнозируется снижение доли нефти, которое компенсируется в том числе ростом производства атомной энергии. Какие из производств окажутся наиболее близкими и реальными, будет зависеть от темпов роста мировой системы экономики.
Отрицательное влияние на развитие энергетики в 1988 г. оказывали кризисы на валютно-финансовых рынках и политическая нестабильность в мире. В целом в мире наблюдается рост числа политических решений об отказе от использования ядерной энергетики (Германия, Швеция, Болгария, Швейцария – сокращение срока служения). Прекращение ряда государственных программ развития ядерной энергетики.
По данным международного энергетического агентства (МАЭ, 1998 г.) производство электроэнергии на АЭС не является экономически предпочтительным, как это прогнозировалось в 80-х и 90-х гг., т.к. появились газовые ТЭС с комбинированным циклом, которые и составили конкуренцию АЭС. Авторы пришли к выводу, что на ближайшие десять лет в развитых странах природный газ станет наиболее привлекательным энергоснабжением, благодаря простоте использования, низким затратам на строительство и эксплуатацию, высокому КПД и сравнительно низким выбросам вредных веществ в атмосферу.
Из проведенного рассмотрения можно сделать два важных вывода:
Это проявляется не только на примере стран, ориентированных на продажу сырья, но даже на примере таких развитых стран как США, Канада, Великобритания, которые по эффективности использования энергии уступают странам первой и даже второй групп.
Рассмотрим теперь изменение эффективности энергопотребления в России за последние тридцать лет. До 1985 г. энергоемкость в РСФСР снижалась (до 0,5 т.у.т. на 1000 $ ВВП), затем началось повышение до 1т.у.т на 1000$.
Только после 2000 г. энергоемкость начала снижаться, и только сейчас мы вернулись на уровень 1997 г.Если нанести эти цифры на рис. 2, то мы увидим, что до 1985 года Россия находилась среди развитых стран третьей группы. В итоге «перестройки» и развала СССР в настоящее время РФ находиться среди самых отсталых стран, объединенных в четвертой группе.
Если принять за начало подъема Российской экономики 2000 г. и оптимистично предположить рост ВВП 5 % в год, то с учетом уменьшающегося населения, Россия вернется к уровню ВВП на душу населения достигнутому в РСФСР в 1989 году лишь в 2035 году. Таким образом, политические и экономические преобразования последних пятнадцати лет отбросили РФ на ~ 50 лет назад.