Запасы энергетических ресурсов

Из большого разнообразия энергоресурсов, встречающихся в природе, выделяют основные, используемые в больших количествах для практических нужд. Доля различных видов энергетических ресурсов в общемировой выработке первичной энергии на конец XX столетия показана на рис. 1.3., а мировые запасы энергетических ресурсов на тот же период представлены в табл. 1.1.

Рис. 1.3. Доля различных видов энергетических ресурсов в общемировой выработке первичной энергии (1998) в %.

Получение энергии необходимого вида и снабжение этой энергией потребителей происходит в процессе энергетического производства, в котором можно выделить пять стадий.

1. Получение и концентрация энергетических ресурсов: добыча и обогащение топлива, концентрация напора с помощью гидротехнических сооружений и т. д.

2. Передача энергетических ресурсов к установкам.

3. Преобразование первичной энергии во вторичную, имеющую наиболее удобную в данных условиях для распределения и потребления форму, обычно в электрическую энергию и тепло.

4. Передача и распределение преобразованной энергии.

5. Потребление энергии, осуществляемое как в той форме, в которой она доставлена потребителю, так и в еще раз преобразованной.

Схема использования энергии показана на рис. 1.4. Примерная (средняя) структура потребления энергетических ресурсов в мире приведена на рис. 1.4.б. При этом надо учесть, что если общую энергию используемых первичных

Таблица 1.1. Мировые запасы энергетических ресурсов, млрд. т. условного топлива

энергоресурсов принять за 100 %, то полезно используемая энергия составляет на сегодня только 35–40 %. Остальная часть теряется, причем большая часть в виде тепла. Возможности уменьшения потерь энергии ограничиваются техническими характеристиками энергетических машин, существующими в настоящее время. Для выработки электроэнергии кроме основных энергоресурсов используются механическая энергия ветра («голубой уголь»),

Рис. 1.4. Использование энергии:

а – распределение механической энергии и тепла, доставленных потребителям, б – общее распределение энергетических ресурсов

энергия приливов и отливов («синий уголь»), тепловая энергия земных недр (геотермальная энергия), лучистая энергия Солнца («желтый уголь»).

Различные виды энергоресурсов неравномерно распределены по районам Земли, по странам, а также внутри стран. Места их наибольшего сосредоточения обычно не совпадают с местами потребления, что наиболее заметно для нефти. Больше половины всех мировых запасов нефти сосредоточено в районах Среднего и Ближнего Востока, а потребление энергоресурсов в этих районах в четыре с лишним раз ниже среднемирового.

Концентрация потребления энергоресурсов в наиболее развитых странах привела к такому положению, когда 30 % всего населения в мире потребляет 90 % всей вырабатываемой энергии, а 70 % населения – только 10 %. Тенденция к увеличению неравномерности общего потребления энергии на душу населения сохраняется на протяжении многих десятилетий. Целесообразность передачи на расстояние тех или иных носителей энергии определяется их энергоемкостью, под которой понимается количество энергии, приходящееся на единицу массы физического тела.

Органическое тепло в силу его специфических свойств и исторически сложившихся условий пока остается основным источником используемой человечеством энергии. Запасы всех видов топлива, которое может быть извлечено из недр Земли, ограничены и оцениваются по данным Мировой энергетической конференции (МИРЭК) в 28,3 млн. ТВт·ч, или в 3480 млрд. т. у. т. Как известно, за единицу условного топлива принимают такое топлива, при сгорании 1 кг которого выделяется 29,3 МДж (8,12 кВт·ч) тепла. Эта условная единица используется для сопоставления различных видов топлива. Рассмотрим основные виды энергоресурсов.

Уголь. Общие геологические запасы угля в мире оцениваются в 61–114 млн. ТВт·ч (7500–14000 млрд. т. у. т.), из которых 24,4 млн. ТВт·ч. (3000 млрд. т. у. т.) относятся к достоверным запасам. Наибольшими достоверными запасами располагают Россия и Соединенные Штаты. Значительные достоверные запасы имеются в ФРГ, КНР и ряде других стран.

Современная техника и технология позволяют экономически оправданно добывать лишь 50 % от всех достоверных запасов угля.

Нефть. Оценка мировых запасов нефти в настоящее время представляет особый интерес. Это вызвано быстрым ростом ее потребления и тем, что во многих странах (Япония, Швеция и др.) нефть при производстве электроэнергии вытеснила уголь, хотя в последнее время этот процесс приостановился. Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд т, из которых 53 млрд т составляют достоверные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Востока. В странах Западной Европы, где имеются высокоразвитые производительные силы, сосредоточены относительно небольшие запасы нефти. В таблице 1.2, составленной по данным международного журнала «Oil and Journal», приведены мировые разведанные запасы нефти и газа на конец XX столетия.

Таблица 1.2. Мировые разведанные запасы нефти и газа

Оценки достоверных запасов нефти по своей природе динамичны. Их величина изменяется по мере проведения разведок новых месторождений.

Геологические разведки, осуществляемые в широких масштабах, приводят, как правило, к увеличению достоверных запасов нефти. Все имеющиеся в литературе оценки запасов являются условными и характеризуют только порядок величин. По мнению российских ученых, запасы нефти в России существенно выше, приведенных в литературных источниках.

Исключительно быстрый рост потребления нефти определяется в основном четырьмя причинами:

1) развитием транспорта всех видов и в первую очередь автомобильного и авиационного, для которых жидкое топливо пока незаменимо;

2) лучшими показателями добычи, транспортировки и использования (по сравнению с твердым топливом);

3) стремлением в кратчайшие сроки и с минимальными затратами перейти к использованию природных энергетических ресурсов;

4) стремлением получить возможно большие прибыли за счет эксплуатации нефтяных месторождений.

Несоответствие между размещением нефтяных ресурсов и местами их потребления или центрами производительных сил привело к бурному прогрессу в развитии средств транспортировки нефти, в частности, к созданию трубопроводов большого диаметра (больше 1 м) и танкеров большой тоннажности.

Природный газ. Мировые геологические запасы оцениваются в 140–160 трлн. м³, из которых около 50 трлн. м³ приходится на долю России и 42 трлн. м³ – на долю стран Ближнего и Среднего Востока. Распределение запасов газа по странам и регионам приведено в табл. 1.2.

Эти цифры, как и в случае нефти, следует рассматривать как весьма приближенные, изменяющиеся по мере проведения разведок.

Гидроэнергетические ресурсы. В отличие от невозобновляемой химической энергии, запасенной в органическом топливе, кинетическая энергия движущейся в реках воды возобновляема. На гидростанциях она превращается в электрическую энергию. Гидроэнергетические ресурсы на Земле оцениваются величиной в 32900 ТВт·ч в год, из которых только около 25% по техническим и экономическим условиям оказываются пригодными для использования. Эта величина примерно в 2 раза превышает современный уровень ежегодной выработки электроэнергии всеми электростанциями мира, т. е. определенные запасы гидроэнергии еще имеются. В табл. 1.3 содержатся данные о гидроэнергоресурсах в различных странах.

Таблица 1.3. Гидроэнергетические ресурсы отдельных стран

Ядерная энергия. Среди энергоносителей, применяемых в настоящее время, наибольшей энергоемкостью обладают радиоактивные изотопы урана и тория. Их энергоемкость достигает 2,22 ГВт·ч/кг (8·1012 Дж/кг). Вследствие огромной энергоемкости атомного топлива практически не существует проблемы транспорта его на расстояние, так как для работы мощных энергетических установок требуются сравнительно малые его количества. Энергоемкость применяемого сейчас топлива в среднем по всем видам составляет 0,834 кВт·ч/кг (3·106 Дж/кг).

Тепловое содержание геологических запасов урана в мире оценивается величиной, превышающей в 320 раз тепловое содержание всех мировых запасов минерального топлива. Однако общегеологическая оценка имеет практическое значение, так как добыча урана решающим образом зависит от концентрации его запасов. По данным Международного агентства по атомной энергии общее количество урана, которое может быть добыто при сравнительно низких затратах (ниже 22 долл. за 1 кг) составляет 1500 тыс. т. При затратах, превышающих в 2–3 раза существующие сейчас, можно будет добыть приблизительно в 10 раз больше урана. Полагают, что при полном использовании энергии ядерного топлива энергетические ресурсы мира увеличатся примерно в два раза. Однако при очевидных достоинствах развития атомной энергетики необходимо иметь в виду три серьезных ее недостатка:

а) малая доля «выгорающего» топлива;

б) малая, но, как показала история, конечной величины вероятность аварии;

в) проблемы захоронения радиоактивных отходов.

Поскольку цепная реакция в современных атомных установках осуществляется в урановых стержнях или смеси графита и урана, но не во всей массе, а только в изотопе 235U, содержащемся в количестве 0,7 % в основном элементе 238U, то уже в самом начале «атомной эры» возникла проблема поисков путей более экономного использования урана. Уже в 1949–1950 гг. наметилась в перспективе возможность создания реакторов-размножителей на быстрых нейтронах. В настоящее время в СССР, США, Англии и Франции разработаны новые типы реакторов на быстрых нейтронах, позволяющие использовать значительно большую (примерно в 20 раз) часть делящегося материала, чем в обычных котлах, работающих на тепловых нейтронах. Таких реакторов-размножителей мощностью в 250–350 МВт во всем мире имеется три. Один из них работает с 1972 г. на полуострове Мангышлак (Казахстан).

Авария на Чернобыльской АЭС, случившаяся 26 апреля 1986 г., унесла жизни десятков и здоровье десятков тысяч людей. Она похоронила миф об абсолютной противоаварийной устойчивости (безопасности) АЭС. Реакция простых людей была практически однозначной – страх перед этим источником электричества и тепла. Специалисты сделали единственно правильный вывод – дорабатывать конструкцию реактора и всех систем его функционирования, обеспечивающую реальную, а не мифическую безопасность его работы. Мощное антиядерное движение во многих странах вынудило правительства некоторых из них практически полностью отказаться от развития атомной энергетики (например, Германия) и даже закрывать действующие АЭС. Напротив, другие страны, как например, Франция, продолжают развивать атомную энергетику, доведя долю электроэнергии, выработанной на АЭС до чрезвычайно высоких значений. Наибольшую долю атомной энергетики в суммарном энергопроизводстве имеют Литва – 91,5 %, Франция – 78,2 %, Бельгия – 60,1 %, Украина – 46,8 %, Швеция – 46,2 %, Болгария – 45,4 %, Словакия – 44 %, Швейцария – 40,6 %, Словения и Венгрия – 40 %. АЭС обеспечивают примерно 17 % общемирового производства электроэнергии.

Существенную проблему для атомной энергетики в последние годы стала представлять защита атомных объектов от террористических актов (в особенности после террактов в США 11.09.2001 г. и в России в октябре 2002 г.).

Захоронение и переработка радиоактивных отходов атомных объектов (АЭС, атомных надводных и подводных кораблей и др.) также представляют собой серьезные проблемы. Экологи приводят убедительные доводы в подтверждение угрозы биосфере, исходящие от таких отходов. Физики-атомщики приводят противоположные доводы и одновременно работают над совершенствованием систем переработки и захоронения радиоактивных отходов.

Современные концепции безопасности АЭС основаны на трех принципах: управления, глубокоэшелонированной защиты и инженерно-технических средств безопасности. Ведущими энергетическими корпорациями и фирмами индустриальных стран разрабатывается более 20 проектов АЭС нового поколения, радикально отличающихся не только по мощности и типу реактора, но и по технологическим, схемным и конструктивным решениям.

По срокам коммерческой реализации и степени самозащищенности АЭС условно делят на три поколения. Проекты АЭС нового поколения основаны на использовании освоенных и проверенных в эксплуатации технологий и конструкций. Они имеют активные и пассивные системы безопасности, что позволяет снизить вероятность тяжелых аварий и уменьшить на 20 % капиталовложения и себестоимость электроэнергии.

Научная и инженерная мысль сейчас усиленно работает также над созданием еще одного ядерного источника энергии. Речь идет об осуществлении термоядерного контролируемого синтеза, который может стать для будущих поколений практически неисчерпаемым источником электроэнергии и тепла.

Значительны запасы еще одного источника энергии – торфа. Ориентировочно они составляют 225–261 млрд. т. из расчета 25 % влажности. Вследствие малой теплотворной способности торф пока не нашел применения в большой энергетике.

Следует иметь в виду, что первичные энергоресурсы, имеющиеся в природе, используются человеком для получения энергии только после преобразований к виду, удобному для практического применения. Как уже отмечалось, примерно 30–40 % от добытых и предназначенных к полезному использованию ресурсов теряется при добычи, транспортировке и хранении. Распределение топливных ресурсов потребителям – для выработки электроэнергии, получения горячей воды и пара в котельных установках, непосредственного использования в промышленности и на транспорте – происходит по довольно сложной схеме с возможной взаимозаменяемостью. Это распределение также сопровождается потерями энергии.