Мировая энергетика и ядерные технологии нового поколения (стр. 1 )

Мировая энергетика и ядерные технологии нового поколения

Содержанием настоящего исследования является прогноз развития мировой энергетики на период 2010–2030 гг. с оценкой периода 2050–2075 гг. и положение Российской Федерации на энергетическом рынке будущего. Показано, что только ядерная энергетика и только при условии создания замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ) может при благоприятных обстоятельствах решить проблему обеспечения человечества дешевой и чистой энергией. Построена стратегия реализации сценария «Атомный прорыв» для Российской Федерации.

1. Мировая энергетика: текущее состояние и тренды развития

Потребление первичных энергетических ресурсов

Потребление первичных энергетических ресурсов в форме электроэнергии, тепла и двигательного топлива устойчиво росло в течение всей индустриальной фазы развития и, несмотря на политику энергосбережения, продолжает расти.

Год	Мировое потребление энергии, ТВт*час
1890	9
1900	15
1914	37,5
1950	950
1960	2300
1970	5000
1980	8250
1990	11800
2000	14500
2002	16100
2004	17468,5
2005	18138,3

С очень хорошей точностью мировое потребление электроэнергии описывается формулой: Е(t)=6,11exp(-0,0003t2 + 0,1038t – 1,8107), где t – время, прошедшее после 1890 года.

Точность экстраполяции может быть оценена, как очень хорошая (квадрат смешанной корреляции 0,9933), что заставляет серьезно отнестись к данному тренду и продлить его, по крайней мере, на ближнесрочную перспективу: мы должны серьезно отнестись к прогнозу об удвоении потребления электроэнергии в течение 25–30 лет.

Структура потребления первичных энергетических ресурсов в мире на 2005 г.:

Структура потребления электроэнергии и тепла в Российской Федерации имеет следующий вид (данные РАО ЕЭС на 2005 г.):

	Электроэнергия	Тепло		Всего
	млрд кВТчас	Гвт	%	млн Гкал	млрд кВТчас	Гвт	%	млрд кВТчас	Гвт	%
Всего	606,4	69,2	100,0	411,1	478,0	54,6	100,0	1084,4	123,8	100,0
Промышленное	315,2	35,9	51,9	111,9	130,1	14,9	27,3	445,3	50,8	41,1
Бытовое	121,8	13,9	20,1	227,1	264,1	30,1	55,2	385,9	44,1	35,6
Инфраструктурное	66,5	7,6	11,0	4,9	5,7	0,7	1,2	72,2	8,3	6,7
Прочее	102,9	11,8	17,0	67,2	78,1	8,9	16,3	181,0	20,7	16,7

Здесь в графе «Промышленное потребление» учтены промышленность, сельское хозяйство, лесное хозяйство и строительство, в графе «Бытовое потребление» – потребление ЖКХ и, собственно, потребление населения, в графе «Инфраструктурное потребление» – транспорт и связь. Графа «Прочие», по-видимому, представляет собой потери в сетях и военные расходы тепла и электроэнергии, не включенные в другие графы.

Общие потери в сетях составляют 13,2% от потребленной мощности, что значительно выше, чем в Европе (минимум – Нидерланды – 4,1%)

Цифры по мощности представляют собой средние значения за год. Учитывая, что дневные максимумы и минимумы разнятся в среднем по стране в 1,75 раза, получаем, что потребная мощность электрической генерации составляет около 120 ГВт (оценка снизу), а с учетом «зимнего» пика и запертых мощностей – около 150 ГВт (оценка сверху). По-видимому, в хорошем приближении для индустриальной фазы развития (с двумя пиками потребления – заводским, «утренним» и бытовым, «вечерним») можно считать, что на одного человека приходится 1 кВт установленной мощности электроэнергии. Для России 2005 года это дает 140 гВт без учета нелегальной миграции.

Перспективы политики экономии электроэнергии

Существует авторитетная точка зрения, что в ближне– и среднесрочной перспективе потребление электроэнергии хозяйствами в масштабах стран существенно снизится за счет введения новых энергосберегающих технологий и политики экономии потребления электроэнергии. Такие ожидания определенно беспочвенны в отношении России и с вероятностью, близкой к единице, – в отношении развитых стран Запада.

Конечно, можно начать экономить тепло, но такая экономия дает лишь экономический эффект. Физически же она бессмысленна: при генерации электроэнергии производится – и расходуется на нагрев атмосферы - огромное количество тепла. Поэтому переход к когенерации тепла и электроэнергии представляет собой заведомо более эффективное решение, нежели формальная экономия тепла за счет изоляции зданий, теплонасосов и т. п.

Экономить же топлива и электроэнергию не удается – в большинстве процессов человечество уже подошло к физическим пределам эффективности. В отношении всех процессов использования электроэнергии мы будем сталкиваться с логистическим характером зависимости величины сбережения электроэнергии от стоимости энергосберегающих технологий. По всей видимости, все сколько-нибудь значимые резервы энергосбережения будут израсходованы уже к 2020 году (если только они уже не израсходованы полностью).

Промышленное потребление: можно со значительной долей уверенности предположить, что суммарное энергопотребление возрастет в черной металлургии, цветной металлургии, как следствие (за счет увеличения твердости и термостойкости сталей и сплавов) – в машиностроении и металлообработке. Поэтому, даже если исходить из того, что уменьшится электропотребление в химической, легкой, пищевой, лесной и деревообрабатывающей промышленности, общий прогноз по промышленному потреблению в целом остается неизменным: потребление электроэнергии во всех сценариях развития будет расти, по крайней мере, в том же темпе, в котором будет расти промышленное производство.

Коммунальное потребление будет устойчиво расти за счет распространения бытовой техники, появления сервисных интеллектуальных систем и т. п. В связи с развитием 3Д-технологий возникнет новый класс энергоемких бытовых приборов – тренажеры виртуальной реальности (порядка 2,5 кВт дополнительной мощности на семью из трех человек).

Инфраструктурное потребление в России также будет устойчиво расти – примерно вдвое в железнодорожном секторе (увеличение длины электрофицированных железных дорог, повышение средней скорости электровозов) и в несколько раз – в автомобильном секторе (освещение автомагистралей, создание обслуживающей структуры).

Потери в сетях можно снизить либо за счет перехода к сверхпроводящим сетям (что в отношении низкотемпературной сверхпроводимости экономически и технологически нереально, а в отношении высокотемпературной сверхпроводимости, вероятно, физически невозможно), либо – за счет перехода к локальной генерации тепла и электроэнергии, что подразумевает структурную перестройку всей экономики и вряд ли возможно раньше второй половины века.

Выводы:

Уже во втором десятилетия XXI века прогнозируется дефицит электроэнергии. Этот дефицит не связан с нехваткой первичных энергетических ресурсов. Он обусловлен международным опозданием с вводом в эксплуатацию необходимого объема генерирующих мощностей, неадекватном географическим положением этих мощностей и, отчасти, с прогрессирующим устареванием энергораспределяющих сетей и механизмов перетока.

Локальная (региональная, страновая) нехватка электроэнергии будет проявляться следующим образом:

Первая стадия: отказ от осуществления значимых, но энергоемких проектов регионального развития. Этот шаг может быть оформлен в медиа-пространстве, как стратегия «мудрого отказа», «надлежащего самоограничения», «сохранения окружающей среды» или «борьбы с глобальным потеплением». По всей видимости, он не вызовет резких негативных реакций со стороны общественности и бизнеса.

Вторая стадия: торможение развития бизнеса в связи с трудностью подключения к электрораспределительным сетям. Возможности сетей недостаточны: возникают «очереди», растут размеры взяток. Начинается активная компания по сокращению коммунального потребления, в том числе – через установление «нормы потребления» и штрафных тарифов за сверхнормативное использование электроэнергии. На этой стадии наиболее «продвинутые» общества перейдут к концепции «платы за киловатт установленной мощности» вместо существующей сейчас повсеместно «платы за использованную электроэнергию».

Торможение промышленного и коммунального потребления электроэнергии приведет к замедлению или остановке экономического роста, что в условиях индустриальной кредитной экономике эквивалентно кризису кредитования. Этот кризис, начавшись в одном из секторов экономики (можно предсказать, что ближайший такой кризис вероятен в инновационном секторе, причем он будет инициирован локальным крахом рынка авторских прав), в течение нескольких месяцев генерализуется в масштабный экономический кризис циклического типа. По мере роста дефицита электроэнергии интервалы между кризисами будут сокращаться.

Вероятно, уже на этой стадии произойдет крах пенсионной и страховой системы, что приведет к тяжелым социальным последствиям.

Третья стадия: попытка государства искусственно стимулировать вывод экономики из депрессии через войну или глобальный проект приведет к перенапряжению энергосистемы и постоянным региональным блэкаутам. Лишь на этой стадии нехватка электроэнергии будет социально осознана.

Справиться с нехваткой электроэнергии с помощью мер экономии не удастся. Переход к «умным домам» и «умным сетям» не приведет к реальному сокращению потребления электроэнергии.

Способ энергосбережения	Инновационный способ энергосбережения	Административный способ энергосбережения	Структурный способ энергосбережения
Содержание	Переход к «умным сетям» и «умным домам», оптимизация технологических процессов и работы бытовых устройств по критерию энергопотребления	Законодательное снижение промышленных и коммунальных энергозатрат, установление соответствующих нормативов, сверхнормативное потребление невозможно или дорого.	Переход к малой и средней генерации и локальным сетям. Когенерация тепла и электроэнергии.
Перспективы	Экономия 5 – 10% потребления электроэнергии за счет удорожания соответствующих товаров и услуг на 25 – 50%	Великобритания и Франция говорит о 13 – 15% потребления электроэнергии, это – предел сверху.	Сокращение расходов на теплоснабжение, объединение тепло - и электроснабжения в единую систему. Экономия 10% потребления электроэнергии за счет сокращения потерь в сети.
Реализуемость	В указанных выше пределах (не выше 10% потребления)	На страх и риск соответствующих правительств	Дорогостоящий проект, предусматривающий переформатирование всей экономики и шире – всей системы природопользования. Вторая половина столетия.
Последствия	Рост инфляции, нестабильность энергосистемы, возможны веерные отключения при авариях	Снижение разнообразия жизни, сокращение потребления и производства во всех секторах, рост заболеваемости простудными заболеваниями, рост смертности. Социальное возмущение вплоть до эскалации насилия и гражданской войны, неизбежны веерные отключения и тяжелые аварии сетевого хозяйства.	Возникновение локальных (местных) тепловых и электрических кризисов. Интенсивный рост антропопустынь 1 рода

Генерация энергии

Существующее структурное разделение энергетики на «традиционную» и «альтернативную» сложилось исторически и не отражает физической и технологической реальности. В работе предложена новая «трехмерная» классификация генерации:

По физическому процессу энергетика подразделяется на тепловую, атомную и потоковую;

По возможностям использования – на местную, базовую, расширенную (можно использовать в морском, речном и железнодорожном транспорте), универсальную (используется также в авиационном и автомобильном транспорте);

По типу потребляемого ресурса – на использующую ресурсы, неисчерпаемые физически, неисчерпаемые практически и исчерпываемые[1].

Тип генерации Тип ресурса	Универсальная энергетика	Расширенная энергетика	Базовая энергетика	Местная энергетика:
Физически неисчерпаемые ресурсы		Ветроэнергетика (очень ограниченно)	Солнечная энергетика, ветроэнергетика, гидроэнергетика, приливная энергетика Атомная энергетика (торий)	Солнечная энергетика, ветроэнергетика, гидроэнергетика, геотермальная энергетика
Практически неисчерпаемые ресурсы		Уголь, атомная энергетика (уран-238)	Уголь, атомная энергетика (уран-238)	Сланцы, торф, биомасса, мусор и пр. низкокалорийное углеродное топливо
Дефициентные ресурсы	Нефтяная и газовая энергетика	Нефтяная и газовая энергетика, атомная энергетика (уран-235)	Нефтяная и газовая энергетика, атомная энергетика (уран-235)	Нефтяная и газовая энергетика
Преобразованные ресурсы	Водородная энергетика

Синий – потоковая генерация