Тенденции энергопотребления, производства и распределения электрической и тепловой энергии

Потребление энергоресурсов быстро растет, что вызывается непрерывным увеличением мирового промышленного производства. По данным Международного института прикладного системного анализа (МИРЭС), потребление первичной энергии к 2030 г. по миру в целом составит приблизительно 24 млрд. т. у. т. в год, т. е. возрастет вдвое по сравнению с уровнем 1988 г. Увеличение потребления первичной энергии составляет примерно 1,5–2 % в год. Оставшихся мировых запасов невозобновляемых энергоресурсов без учета возможностей ядерной и термоядерной энергетики, видимо, хватит еще на 100–250 лет. Эти данные, конечно, ориентировочны, однако все же они дают некоторую картину будущего.

В табл. 1.4. приведены данные о мировом потреблении важнейших энергоносителей в 1990 г. и прогноз на 2020 г.

Таблица 1.4. Сводка данных по максимальному и минимальному вариантам прогноза мировой энергетики

Первыми источниками тепла были различные органические остатки и древесина. Древесина на протяжении длительного периода, вплоть до XVI в., была основным энергоносителем. Впоследствии, по мере относительно быстрого освоения других, более энергоемких источников энергии (угля, нефти), сокращается потребление древесины, использование которой в качестве энергоносителя вскоре может почти полностью прекратиться.

Среди всех видов доступных энергоресурсов наибольшая доля приходится на уголь – 75–85 %; значительны запасы нефти (10–15 %) и газа (5–10 %); все остальные энергоресурсы в совокупности составляют меньше 2 %. Среди используемых видов топлива уголь занимал наибольшую долю (порядка 70 %) от всех используемых энергоресурсов в начале XX в. По мере увеличения потребления нефти, газа и электроэнергии доля угля уменьшалась, хотя общее количество добываемого угля существенно возрастало.

Эволюция расходной части мирового энергетического баланса определяется действием двух зачастую противоположных тенденций:

а) постепенного приближения структуры производства энергоресурсов к структуре имеющихся запасов;

б) повышения качества потребляемых энергоресурсов и энергоносителей. Первая тенденция определяет сдвиг в мировом энергобалансе в сторону угля. Вторая – в сторону нефти, газа, ядерного топлива. Увеличение мирового потребления первичных энергоресурсов будет проходить при снижении удельного веса трех основных видов органического топлива, но их преобладание в структуре мирового энергобаланса сохранится до середины XXI в., а возможно и далее.

Разумное сочетание различных энергоресурсов и плавное развитие энергетики, несомненно, позволили бы избежать тех трудностей, приобретающих иногда катастрофический характер, которые возникли в 1973–1975 гг. в ряде стран. Эти трудности, получившие название «энергетического кризиса», были вызваны многолетним хищническим использованием международными монополиями сырьевых ресурсов стран и континентов.

Так, международный нефтяной картель, состоящий из семи монополий (пять из которых американские), практически полностью контролировал добычу нефти в странах Арабского Востока и прочно захватил доминирующие позиции на рынках государств – потребителей нефти. Этот картель в целях извлечения максимальных прибылей тормозил работы по использованию других видов энергии. В странах Западной Европы сокращалась добыча каменного угля, закрывались шахты, часто неоправданно придерживалось развитие атомной энергетики. Монополии, картели не останавливались ни перед какими средствами, чтобы сохранить свои позиции. В ряде стран, например, они давали огромные взятки, чтобы провалить законы о национализации энергетики (США) или дискредитировать и затормозить программу строительства атомных станций (Италия) и т. д. Ориентация энергетики на нефть, дававшую монополиям огромные прибыли, требует в перспективе значительного увеличения ее добычи. В то же время, начиная с 1973 г., страны – производители нефти стали требовать все большую долю прибылей: они повысили на нее закупочные цены и заявили о намерении держать прирост добычи нефти в определенных пределах, поставив тем самым развитие стран перед необходимостью пересмотра их энергетической политики.

Все соображения и данные о мировых запасах энергоресурсов следует рассматривать как приближенные, поскольку все еще недостаточно изучены земные недра (под дном Мирового океана), имеется неудовлетворительного качества статистический материал о залегании энергоресурсов, в различных странах существуют разные методики учета запасов. Кроме того, используются различные подходы к оценке запасов. Например, по данным Мировой энергетической конференции, общегеологические запасы топлива планеты оценивались примерно в 200 млн. ТВт·ч, а далее было показано, что с помощью современных технологических методов может быть добыто при оправданных экономических затратах более 28 000 млн ТВт·ч, что в 380000 раз превышает современный уровень годовой добычи в мире всех видов топлива. Характерно то обстоятельство, что, несмотря на быстрое расходование энергоресурсов, их потенциальные запасы по мере проведения разведки не уменьшаются, а увеличиваются.

Значения запасов энергоресурсов и показателей их добычи определяются эффективностью их полезного потребления. Усовершенствования технических установок, позволяющие более полно (т. е. с большим КПД) использовать первичные энергоресурсы, означают, что для получения одного и того же количества энергии требуется все меньшее количество первичных ресурсов. Если к оценке использования первичных ресурсов подойти с позиций учета их энергии по существу, то придется констатировать, что преобразование их в электроэнергию на станциях различных типов происходит с крайне низким коэффициентом полезного действия (КПД). При этом наибольший КПД соответствует атомным станциям, а наименьший – гидроэлектростанциям. Значения расхода энергоносителей и КПД, приведенные в табл. 1.5, определены для электростанций одинаковой мощности (1 ГВт), вырабатывающих за сутки 24 ГВт·ч.

Таблица 1.5. Расход энергоносителей и КПД различного типа электростанций одинаковой мощности (1 ГВт)

Расчет КПД по существу может производиться следующим образом. Через турбины ГЭС мощностью 1 ГВт для получения энергии 120·10¹² Дж необходимо пропустить 700·10⁶ т воды. Эта масса воды обладает внутренней энергией 630·10²⁶ Дж. Следовательно, КПД по веществу η=(120·10¹²/630·10²⁶)·100% = 0,19·10^–12. Аналогично находится КПД для ТЭС и АЭС.

Вопрос об увеличении КПД процессов получения энергии является очень острым. В целом это увеличение непрерывно происходит. Так, производство электроэнергии в мире за 10 лет (1955–1965 гг.) выросло в 1,97 раза, за 15 лет (1950–1965 гг.) в 3,5 раза. За этот период производство первичных энергоресурсов возросло только в 2 раза. Это произошло вследствие повышения КПД энергетических установок и увеличения доли расходования первичных ресурсов для выработки электроэнергии.

Масштабы выработки электроэнергии в мире увеличиваются с 11,5 трлн кВт·ч в 1990 г. до 19,4–24,4 млрд кВт·ч в 2020 г. или в 1,7–2,1 раза.

Опережающий рост выработки электроэнергии по отношению к потреблению первичных энергоресурсов сохраняется во всех вариантах на протяжении всего периода. Сохраняется тенденция роста потребления электроэнергии на душу населения. Этот показатель увеличивается с 2,17 тыс. кВт·ч/ человек в 1990 г. до 2,4–3,03 тыс. кВт·ч/человек в 2020 г. Однако, наряду с этим формируется новая тенденция – снижение электроемкости глобального ВВП (на 8–27 % к 2020 г. по сравнению с уровнем 1990 г.).

Отличительной чертой будущей мировой электроэнергетики явится нарастающая централизация распределения энергии и диверсификация источников ее производства. Характерным будет сочетание крупных концентрированных и относительно малых энергоисточников, работающих на единую сеть: применение разнообразных комбинированных схем производства электроэнергии и тепла, совмещение энергетических и производственных технологий с полным использованием отходов и вторичных ресурсов, формирование интегрированных энергопроизводственных систем.

Особое значение приобретает наметившаяся в последнее десятилетие тенденция – создание крупных государственных и межгосударственных энергообъединений. Накоплен положительный опыт создания и функционирования крупных энергообъединений в Западной Европе, Северной Америке, на территории бывшего СССР и стран Восточной Европы.

В формировании единого электроэнергетического пространства Евроазиатского континента особую роль играет Россия, обладающая большими топливно-энергетическими ресурсами и крупнейшими в мире централизованно управляемым энергообъединением РАО «ЕЭС России».

До разделения СССР на независимые государства на Европейском континенте было три крупных энергообъединения:

· энергообъединение 12 стран Западной Европы (Бельгии, ФРГ, Испании, Франции, Греции, Италии, Югославии, Люксембурга, Нидерландов, Австрии, Швейцарии, Португалии) UCPTE;

· энергообъединение четырех стран Северной Европы (Норвегии, Дании, Финляндии, Швеции) Nordel System;

· энергообъединение «Мир» (стран – бывших членов Совета Экономической Взаимопомощи).

Асинхронно с UCPTE через кабель постоянного тока работает энергосистема Великобритании.

Установленная мощность электростанций, входящих в UCPTE, составляет более 390 млн кВт, в Nordel System – 85 млн кВт, в энергообъединение «Мир» – более 400 млн кВт. Энергообъединение «Мир» было связано с UCPTE тремя вставками постоянного тока суммарной мощностью 1750 МВт и с Nordel System – вставкой постоянного тока мощность 1100 МВт. Электрические связи между энергосистемами стран Восточной Европы и ЕЭС бывшего СССР включали три воздушные линии электропередачи (ВЛ) напряжением 750 кВ, четыре ВЛ напряжением 400 кВ и четыре ВЛ напряжением 220 кВ, по которым осуществлялись значительные поставки электроэнергии из СССР в страны Восточной Европы. В отдельные годы они составляли около 40 млрд кВт·ч.

В настоящее время в энергообъединениях UCPTE и Nordel System интеграционные процессы усиливаются. В течение 1994 г. была введена в коммерческую эксплуатацию кабельная линия электропередачи постоянного тока между Швейцарией и Германией длиной около 250 км, мощностью 600 МВт. Рассматриваются два проекта межсистемных связей между Норвегией и континентальной Европой. Одна из них соединит Норвегию и Германию, другая – Норвегию и Голландию. Выполнено технико-экономическое обоснование межсистемной линии электропередачи постоянного тока между Швецией и Польшей. В дальнейшем рассматривается возможность присоединения энергосистем Латвии, Литвы и Эстонии к Nordel System и UCPTE.

В 1994 г. объем обменов электроэнергией, включая третьи страны, в UPCTE составил 155,9 млрд кВт·ч, или 10 % производимой электроэнергии в странах UCPTE, а Nordel System – 39,3 млрд кВт·ч или 11,2 %. Иная картина оказалась в энергообъединении «Мир», где после разделения СССР на независимые государства начались дезинтеграционные процессы, а взаимовыгодные обмены электроэнергией внутри энергообъединения стали сокращаться. В 1994 г. объем экспорта электроэнергии из стран СНГ в страны Восточной Европы составил всего 1,7 млрд кВт·ч и уменьшился более чем в 20 раз по сравнению с концом 80-х гг.

В октябре 1995 г. к UCPTE присоединилось энергообъединение CENTREL, включающее энергосистемы Венгрии, Чехии, Словакии и Польши и энергосистему восточной части Германии. При этом установленная мощность расширенного энергообъединения UCPTE стала составлять более 470 млн кВт. Имеются планы присоединения к UCPTE энергосистемы Болгарии и Румынии. В конце сентября–начале октября 1995 г. энергосистема Болгарии отключилась от ОЭС Украины и переключилась на синхронную работу с энергосистемами Румынии, Греции, Албании, бывшей СФРЮ. Этот эксперимент рассматривается как этап по подключению энергосистем стран южной части Европы к UCPTE. Следующий кандидат на подключение к UCPTE – Турция. Рассматривается развитие связей энергосистемы Турции с энергосистемами стран, входящих в экономическую зону Mashreq (от Сирии до Египта). После ввода в эксплуатацию в 1996 г. подводного кабеля переменного тока между Испанией и Марокко к UCPTE присоединятся энергосистемы Марокко, Алжира, Туниса и Ливии (страны зоны Maghreb). Проводятся исследования по развитию связей между энергосистемами стран Mashreq и Maghreb. Таким образом, стоит вопрос о создании большого энергообъединения стран бассейна Средиземного моря, которое будет работать параллельно с UCPTE. Намечается проведение исследований по оценке возможностей совместной работы энергосистемы Турции с энергосистемами Закавказских республик: Армении, Грузии и Азербайджана.

Вместе с тем продолжает функционировать ЕЭС России, которая работает синхронно с энергосистемами стран Балтии, Беларуси, Украины, Молдовы и Казахстана. Сохранили возможность параллельной работы ЕЭС России энергосистемы Азербайджана, Армении и Грузии.

В этих условиях центральной проблемой сотрудничества стран на Европейском континенте в области электроэнергетики стало использование уже существующих 11 ВЛ между странами СНГ и Восточной Европы, в строительстве которых были вложены значительные средства, предполагаются различные варианты дальнейшего развития этих связей. Одним из вариантов предусматривается перенос вставок постоянного тока на границы стран СНГ и стран Восточной Европы.

Выбор наилучшего пути развития сотрудничества на Евроазиатском континенте должен быть направлен на создание общего рынка электроэнергии и мощности как основы единого энергетического пространства. На решение этой задачи направлен ряд международных проектов.

Проект «Балтийское электроэнергетическое кольцо» имеет целью создание мощной электрической сети, связывающей энергосистемы 11 стран региона Балтийского моря: Дании, Швеции, Норвегии, Финляндии, России, Эстонии, Латвии, Литвы, Беларуси, Польши, Германии. По существу, частью этого проекта является другой проект энергомоста Восток–Запад, предусматривающий сооружение электропередачи постоянного тока мощностью 4000 МВт, связывающей энергосистемы России, Беларуси, Польши и Германии. Предполагается, что «Балтийское кольцо» позволит улучшить эффективность работы энергосистем участвующих стран и будет в целом способствовать экономическому развитию стран региона Балтийского моря.

Необходимо отметить, что к настоящему времени накоплен положительный опыт совместной работы ЕЭС России с энергообъдинением Nordel System. Ведутся работы по увеличению мощности вставки постоянного тока с Финляндией до 1400, а в перспективе – до 2000 МВт.

Рассматривается возможность создания новых связей Карельской и Кольской энергосистем со странами, входящими в Nordel System.

Проект «Черноморское энергообъединение». При активной поддержке большинства стран – участниц Черноморского экономического сообщества (ЧЭС), включая Украину, Румынию и Болгарию, начата проработка предложения РАО «ЕЭС России» по проблеме создания объединенной энергосистемы ЧЭС. Создание этой объединенной энергосистемы имеет целью объединение энергосистем региона в мощные электрические сети, часть из которых уже существует. Такое объединение могло бы позволить оптимальным образом развивать электроэнергетику всего региона, рационально использовать энергоресурсы, повысить надежность электроснабжения потребителей, осуществлять взаимовыгодные обмены мощностью и электроэнергией и оказать в целом положительное влияние на экономику всех стран региона. Основу объединенной энергосистемы Черноморско-Каспийского региона должны составить электрические сети высших классов напряжения, созданные странами-членами Совета Экономической Взаимопомощи: на Юго-западе это сети напряжением 400 и 750 кВ, связывающие Россию, Украину, Молдову, Болгарию и Румынию; на Юго-востоке – сети напряжением 330 и 500 кВ, связывающие Россию, Грузию, Армению и Азербайджан, и ВЛ напряжением 220 кВ между странами Закавказья и Турцией.

Другие электроэнергетические проекты. Рассматриваются варианты развития связей между объединенными энергосистемами Средней Азии и энергосистемами Ирана и Турции, прорабатываются вопросы развития связей между энергообъединениями России и Китая, Японии, Кореи, энергообъединениями России и США.

Электроэнергетика Китая развивается быстрыми темпами; производство электроэнергии увеличивается ежегодно на 7–9 %. Общее ежегодное производство электроэнергии в Китае превысило 900 млрд кВт∙ч. Китайской стороной проявлен интерес к передаче электроэнергии из России.

Главные предпосылки для импорта электроэнергии Японией состоят в отсутствии собственных топливно-энергетических ресурсов и чрезвычайно высокой плотности населения. Потенциальные источники электроэнергии в России для экспорта в Японию: тепловые электростанции на Сахалине, сжигающие шельфовый газ или южно-сахалинский уголь; ГЭС и АЭС в объединенной энергосистеме Дальнего Востока; приливная электростанция на юге Охотского моря.

Реализация рассмотренных международных проектов, а также намечаемых вариантов усиления межсистемных связей позволит сформировать мощную протяженную цепь: Япония–Китай–Сибирь–Казахстан–Европейская часть России–Западная Европа и явится важным этапом в создании Единого энергообъединения на Евроазиатском континенте, суммарная мощность которого составит порядка 60 % мощности всех электростанций мира и в котором ЕЭС России в силу своего геополитического положения может стать центральным связующим звеном.

Необходимую пропускную способность межсистемных связей в этом энергообъединении можно приближенно оценить на основе рекомендаций, апробированных практикой создания ЕЭС бывшего СССР, согласно которым суммарная пропускная способность межсистемных связей в сечениях, делящих мощное энергообъединение на две части, должна составлять порядка 2–3 % максимума нагрузки меньшей из рассматриваемых частей энергообъединения. С учетом этого условия необходимые пропускные способности межсистемных связей в Евроазиатском энергообъединении на территории России и Казахстана составляют более 10 ГВт. Достижение таких пропускных способностей возможно лишь с использованием линий электропередачи сверхвысокого напряжения (1150 кВ переменного и 1500 постоянного тока).