Энергия

промежуточной загрузкой мощности или регулируемым выходом мощности основной

электростанции. Максимальные нагрузки обычно компенсируются дополнительными

гидро- или газо-турбинными генераторами. Конкуренция на рынке

производителей электроэнергии, несомненно, может способствовать принятию

более оптимальных решений при определении необходимых источников

дополнительной энергии в моменты пиковых нагрузок.

Различные способы рационального использования базисных электростанций

дают им возможность работать в соответствии с нагрузкой в сети, варьируя

свою выходную мощность. Как и в других отраслях промышленности, в

производстве электроэнергии действуют свои экономические законы. Большие

паровые энергоблоки уменьшают себестоимость произведенной электроэнергии,

особенно если они используются на базисных электростанциях. Их

местоположение, как правило, определяется вблизи источников топлива и

охлаждающих водоемов. Однако, большие электростанции требуют для их

эффективной эксплуатации протяженных линий транспортировки электроэнергии и

возможностей ее преобразования. Следовательно, имеется достаточно много

условий, при которых экономические достоинства мелкосерийных газовых

генераторных станций будут преобладающими.

2.3 Топливо для производства электроэнергии сегодня

В этой книге рассматриваются преимущественно вопросы производства

электроэнергии в индустриально развитых странах и густонаселенных областях

Северной Америки, Восточной Европы и Азии. В этих странах топливная

генерация электроэнергии составляет более 40 % от полного количества

магистральных поставок. Австралия в этом смысле "удачная" страна из-за

наличия больших открытых месторождений угля вблизи главных городских

центров в восточных штатах. Это дало возможность разместить основные

электростанции вблизи угольных месторождений и, таким образом,

минимизировать экономические потери на транспортировке больших количеств

угля. Энергетические потери при передаче электроэнергии также относительно

низки.

Канада имеет богатые запасы органических и гидро топливных ресурсов на

большей части своей территории. Однако, эти ресурсы в значительной степени

истощились в провинции Онтарио к середине 1970-ых, и с того времени ядерная

энергетика стала главным источником электроэнергии в Онтарио. Однако,

многие густонаселенные части планеты, такие как Япония, многие районы

Европы и Северной Америки не так удачно расположены относительно

месторождений органического топлива. Высокая плотность населения и темпы

индустриализации ограничивают привлекательность угля не только по

соображениям его стоимости, но и с точки зрения загрязнения окружающей

среды (см. также главу 6). Поэтому желательные требования к топливу,

используемому для производства электроэнергии в густонаселенных и

индустриально развитых странах, могут быть представлены следующим образом:

. Топливо должно быть относительно дешевым, и давать дешевую энергию.

. Если топливо не может быть расположено вблизи электростанции, то оно

должно представлять собой сконцентрированный источник энергии, который

можно экономно транспортировать и надежно запасать.

. Топливо не должно иметь дефицита ресурса и альтернативных вариантов

применения (простое сжигание или химические превращения).

. Отходы от применения топлива должны утилизироваться таким образом,

чтобы они производили минимум загрязнения окружающей среды и исключали

влияние и на глобальное потепление планеты.

. Топливо должно быть безопасным, как при обычной эксплуатации, так и в

аварийных случаях.

Из трех основных видов топлива (уголь, газ и уран), которыми

располагает человечество для производства электроэнергии, уран наиболее

удовлетворил бы этим критериям, особенно в тех случаях, когда уголь и газ

необходимо транспортировать на очень большие расстояния. Национальная

энергетическая стратегия многих стран во многом зависит от имеющихся у них

природных ресурсов, от экономической целесообразности импортирования

топлива (или электроэнергии) и уровня индустриализации. Энергетически

богатая страна, такая как США, имеет возможность выбора. Однако, даже в

США, необходимость транспортировки угля в больших количествах и на большие

расстояния значительно сказывается на стоимости электроэнергии. Более того,

не далек тот день, когда уголь вообще перестанет быть главным источником

энергии. Япония, не имеющая природных энергетических ресурсов, почти

полностью полагается на импорт энергии. Когда-то удобным импортируемым

топливом была нефть, и энергетические потребности страны существенно

зависели от нее, включая и производство электроэнергии. В настоящее время

для этих целей все более чаще используется уголь, но стоимость доставки его

намного больше. Ядерное топливо имеет значительные преимущества. Во-первых

его не так много требуется, и во-вторых затраты по транспортировке

незначительны. Могут быть легко накоплены стратегические запасы. Кроме

того, цена ядерного топлива менее подвержена колебаниям, чем угля. В

Австралии условия энергоснабжения изменяются от штата к штату. Восточные

штаты страны, например, имеют большие резервы угля. Запад и Юг Австралии

имеют относительно меньшее количество угля, но большие запасы газа и

пониженный спрос на электроэнергию. В настоящее время почти 60 процентов

электроэнергии, потребляемой Югом Австралии и половиной Запада Австралии,

получают сжиганием газа.

Канада - страна богатая энергетическими ресурсами и условия их

использования меняются от одного побережья до другого. В Британской

Колумбии, Манитобо и Квебеке в большей степени используются

гидроэнергетические ресурсы, чем это делается, например, в Онтарио. Уголь

активно используется в Луге и на Атлантическом побережье, хотя и в меньшей

степени, чем в наиболее развитых странах. В Онтарио выбор сделан на ядерную

энергетику, производящую более 60 процентов электроэнергии. В Квебеке и

Новом Брансуике также частично используют ядерную энергию. Рисунок 4

иллюстрирует, каким образом производят электроэнергию в некоторых странах,

включая Австралию и Канаду.

Во всех странах потребности в электроэнергии постоянно увеличиваются

(примерно на 3-4 % каждый год). Из диаграммы видно, что уголь является

основным видом топлива в США и Европе, и намного меньше используется в

Японии и Канаде. В этих странах в настоящее время примерно одна треть всей

электроэнергии вырабатывается на ядерных реакторах. Отражением мировых

перспектив в добыче природных ресурсов является то, что замещаемое топливо,

используемое в каждой стране, постепенно вытесняет все более недостаточную

и, следовательно, довольно дорогую нефть. Это наиболее очевидно и остро

наблюдается в Японии. Россия также заметно снизила свою зависимость от

нефти в производстве электроэнергии за последние 25 лет, и увеличила вклад

ядерной энергетики в энергообеспечение страны.

2.4 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.

[pic]

Рисунок 4

[pic]

Рисунок 5

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

(Рисунок 4). 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 (см.

также Главу 6). 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 (см. Главу 6). 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

(см. Главу 3).

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 (см. также раздел 2.6 и Главу 6). 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 (см. раздел 4.4)

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, см. Главу 3). 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.

2.5 Возобновляемые источники энергии

Страницы: 1, 2, 3, 4