Об энергетике «без гнева и пристрастия»
Дата: 28/02/2018
Тема: Атомная энергетика


А.Ю. Гагаринский, доктор физ.-мат. наук, НИЦ «Курчатовский институт»

Производство энергии – довольно инерционная область человеческой деятельности. Неожиданные прорывы и быстрые смены трендов в ней не частые гости. Этого, однако, не скажешь, если в знакомстве с новостями энергетики ограничиваться средствами массовой информации. Здесь эмоциональные реляции о победах и поражениях разных энергетических технологий призваны убедить читателя, что люди способны выбирать источники энергии по своему усмотрению. Давайте попытаемся взглянуть в лицо фактам sine ira, хотя сам Тацит, по свидетельству историков, редко следовал своему правилу. Что уж говорить о тех, кто был потом.



«Мириться лучше со знакомым злом,

Чем бегством к незнакомому стремиться»

                                 Уильям Шекспир, «Гамлет»

 

«Поставкой» достоверных энергетических данных, как и производством прогнозов, занимаются многие: международные организации, научные институты, энергетические компании. В этом коротком обзоре будут в основном использоваться данные British Petroleum (ВР), в силу уважения не только к признанной британской «неангажированности», но и к почти70-летнему опыту в представлении и анализе энергетических данных [1, 2]. Тем более, что прогнозы ВР – как, впрочем, и других источников (см., например, [3]) – содержат сравнение результатов наиболее авторитетных исследовательских групп.

Согласно им, в XXI веке мировое потребление энергетических ресурсов возросло на 40% (за последние 30 лет предыдущего века оно выросло в 2 раза) и к 2017 году составляет 13,3 млрд. тонн нефтяного эквивалента в год. Органическое топливо – около 86% в структуре мирового потребления так называемой первичной энергии. Из остальных коммерчески используемых источников энергии (органика для обогрева и приготовления пищи сюда не включена) на долю гидроэнергии приходится 6,7%, атома - 4,5% и других возобновляемых источников - 3,2%.За последние десять лет потребление органического топлива выросло на 15%, возобновляемой энергии (без гидро) – в 4 раза.

Долгосрочные прогнозные оценки развития практически всегда оказываются несостоятельными. К 2100 году мир изменится так, что сегодня трудно даже представить. Достаточно сравнить предсказания и итоги прошлого века. Тем не менее, потребность в прогностических исследованиях объективно существует, как бы к ним ни относились. Ведь именно они являются как минимум «идеологической» основой долгосрочных инвестиций.

Но это - о «дальних» прогнозах, хотя попытки написать энергетическую картину конца XXI века предпринимаются. Их обзор и анализ содержится, например, в книге [4]. Согласно ему, потребление первичной энергии в мире может достичь 30-50 млрд. т.н.э.

Ограничимся куда более скромной задачей: посмотрим, что ждёт нас в ближайшие 20-25 лет, что обычно и делает большинство экспертных групп в мире.Согласно практически всем сценариям мирового экономического и энергетического развития, спрос на энергоресурсы будет продолжать расти с темпом 1,1-1,4% в год (это медленнее, чем в предыдущем десятилетии (2,2%)), разумеется, прежде всего за счёт развивающегося мира, отставая от роста мировой экономики, то есть благосостояния человечества, составляющего в среднем 3,4% в год. Всего за двадцать лет мировой валовый продукт удвоится, а потребление энергии вырастет «только» на 30%. В этом и состоит повышение энергоэффективности с развитием технологий. Энергетическая интенсивность (так называют затраты энергии на единицу прироста валового продукта) будет ожидаемо снижаться с темпом 1,4% в год.

Нефть, газ и уголь по-прежнему будут основными источниками энергии для мировой экономики. Например, к 2035 году за ними останется 75% всех мировых поставок энергоносителей. Потребление нефти продолжит расти, постепенно перемещаясь в сферу нефтехимии. Однако, две трети прироста по-прежнему пойдут на транспорт. Снижения потребности в нефти ожидают в середине 40-х годов - и то, если эффективность автомобильных двигателей будет расти достаточно быстро.

Пик потребления угля ожидается уже в середине 20-х годов. Китай остаётся его крупнейшим потребителем (более половины глобального рынка). Однако, наиболее растущая часть последнего будет представлена Индией, в то время как потребности стран ОЭСР упадут на 40%.

Спрос на газ будет расти быстрее, чем на нефть и уголь. К 2035 году сланцевый газ будет составлять четверть добычи природного газа в мире. В Европе собственная добыча газа быстро упадёт (существующие поля не замещаются), и доля импорта через 20 лет вырастет с сегодняшних 50 до 80%. Продажа сжиженного газа растёт много быстрее трубопроводного, и к 2035 году они сравняются. В результате газовый рынок мира становится всё более интегрированным.

Сразу надо сказать, что прогнозируемые ограничения потребления тех или иных видов топлива не носят ресурсного характера. Аналог житейскому «на сколько лет хватит» - используемое экспертами соотношение между доказанными резервами и ежегодной добычей при неуклонном росте того и другого - в среднем по миру за последнее десятилетие не демонстрирует никакой тенденции к снижению (рис. 1). Как видно, для нефти и газа это соотношение держится на отметке «пятьдесят», для угля оно вообще больше ста пятидесяти, а для урана, при его сегодняшнем способе использования, сохраняется на уровне «семьдесят». Стоит добавить, что за последние 35 лет объём мировых доказанных запасов органики более чем удвоился.

Рис. 1. Ресурсы ископаемого топлива

Ресурсные основания для продолжения «эры органики» хорошо известны энергетикам - это так называемые нетрадиционные нефть и газ. Мировые ресурсы нетрадиционной нефти – тяжёлой нефти, из сланцев, нефтяных песков и натуральных битумов, включая как открытые, так и теоретические, заметно превышают ресурсы традиционной нефти.

Добыча нетрадиционных нефти и газа стала столь стремительно развиваться в последние годы, в первую очередь в США, где зарегистрирован самый высокий прирост нефтедобычи в мире, что в прессе замелькал термин «сланцевая революция». За последние 10 лет производство природного газа в США выросло на 45, а нефти – на 80%. Прогнозируется, что США и Китай станут лидерами по производству газа за счёт нетрадиционных его видов, а добыча сланцевого газа обеспечит две трети прироста поставок газа, в основном за счёт производства в США.

А за горизонтом остаются ещё гигантские ресурсы газогидратов (твёрдых кристаллических соединений воды и низкомолекулярных газов). Для урана их «аналог» – миллиарды тонн его соединений, растворённых в воде.

В целом, углеводородное топливо будет оставаться с человеком в течение многих десятилетий. Угрозу цивилизации со стороны сжигания ископаемой органики люди видят не столько в принципиальной исчерпаемости этого ресурса, сколько в его влиянии на угрожающие изменения климата планеты.

Из доступных сегодня энергетических источников наименьшие эмиссии диоксида углерода в течение всего жизненного цикла (строительство, эксплуатация и вывод из неё) производят ветровые фермы (11 г/кВт×ч) и атомные станции (15 г/кВт×ч). Фотоэлементы - это уже в три раза больше, самый «чистый» из органики газ - в тридцать раз больше, а уголь - это вообще 700 г/кВт×ч.

Рис. 2. Доля низкоуглеродных источников в мировой первичной энергии

Так вот, в производстве низкоуглероднойэнергии - с помощью атомных и гидроэлектростанций, а также других возобновляемых источников - человечество пока не слишком преуспело, несмотря на все громкие лозунги. Суммарная доля этих источников в производстве первичной энергии за все прошедшие годы нового века выросла всего лишь с 13 до 15% (рис. 2).

При этом главный на сегодня и наиболее освоенный из возобновляемых источников энергии (70% всего производимого ими электричества) – гидростанции – имеет очевидные ресурсные ограничения, связанные с затоплением территорий. Экономический потенциал гидроэнергетических ресурсов мира в развитых регионах в значительной мере (в Европе на 75%, в Северной Америке на 70%) использован. К тому же, именно большой гидроэнергетике принадлежит печальный «рекорд» в ряду наиболее тяжёлых энергетических аварий мира, когда от прорыва плотин в Китае погибло более 230 тысяч человек.

Самыми высокими среди всех источников первичной энергии будут, безусловно, темпы роста солнечной и ветровой энергетики (по данным ВР – 7,5% в год). Её потребление увеличится в 4 раза за следующие 20 лет. На конец 2016 года рекордсменами в использовании этой энергии являются Китай, США и Германия. На них приходится половина электроэнергии в мире, полученной от ВИЭ. Но если в Китае и США возобновляемые источники (без гидроэнергии и биомассы) составляют 3-4% в энергетическом балансе стран, то в Германии - уже 12%, хотя и там доля органики превышает 80%. Китай и обеспечит прирост производства возобновляемой энергии больше, чем США и ЕС, вместе взятые. Собственно, всё остальное - использование геотермальной энергии или энергии океана (приливы, волны, морские течения и т.д.)-это интереснейшие достижения человеческой изобретательности, некоторые из которых уже весомы для отдельных «удачно» расположенных на Земле стран (например, Филиппин или Исландии). Ожидается, что стоимость солнечной энергии продолжит падать, но с замедляющимся темпом. Совершенствование ветротурбин обеспечит удешевление ветровой энергии.

Оставим в стороне вопрос, что здесь – эффект «низкой базы» (за 1971–1986 г. производство ядерной энергии выросло в 15 раз по сравнению с десятикратным ростом энергии ВИЭ за аналогичный временной отрезок с 2001 по 2016 г.), а что связано с «политикой активной поддержки возобновляемой энергетики» [3]. По данным [5], пик глобальных субсидий на ВИЭ составлял 240 млрд. долл., наблюдается и прогнозируется их постепенное снижение.

Более важен вопрос, когда в игру вступят факторы, связанные с фундаментальными свойствами ветровой и солнечной энергетики: низкой плотностью потока энергии и прерывистостью. Постараемся уйти от экономических оценок. Эта «поляна» слишком затоптана мастерами «с долларами наперевес» получать любой заранее заданный результат. В ядерной энергетике, например, со времён адмирала Риковера известно, что главное достоинство «академических» («бумажных») реакторов по сравнению с их реальными («железными») собратьями – безусловная дешевизна.

Из множества возможных вариантов (сроки окупаемости и т.п.) выберем такой показатель, как энергетическая рентабельность или энергетический выигрыш от процесса производства энергии по сравнению с её количеством, затраченным на создание данного источника энергии (рис. 3). Конечно, подсчитать такой показатель, описывающий общую эффективность всего жизненного цикла установки, довольно непросто. Источник, из которого взяты представленные данные – отчёт МАГАТЭ [6] – тоже можно подвергать сомнению.

Рис. 3. Энергетический возврат от энергетических инвестиций

Тем не менее, общий вывод о принципиальных преимуществах, которые для источников глобального масштаба представляют энергетические технологии с высокой плотностью энергии и малыми затратами на её хранение, сомнению подвергнуть трудно. Инвестирование энергии в строительство и эксплуатацию ядерных, гидро-, угольных и газовых энергосистем на порядок эффективнее фотоэффекта и ветра на протяжении всего жизненного цикла соответствующего источника, по утверждению авторов отчёта [6]. Вопрос в том, при каком масштабе развития эти недостатки начинают существенно влиять на энергетический баланс.

Как полагают эксперты ВР, влияние на стоимость со стороны системных факторов (существенно различаюзихся в зависимости от конкретной страны) по мере добавления всё новых объёмов нестабильного энергоснабжения в ближайшие 20 лет ещё не будет значительным. Кроме того, как заявляют эти – довольно редко позволяющие себе «сильные» утверждения – эксперты, «более быстрое распространение солнца и ветра по сравнению с ядерной энергетикой вызвано тем, что, в отличие от неё, они не попадают под кабальные ограничения по безопасности».

Не стоит забывать и вынесенного в начало обзора фундаментального фактора, который не может не учитываться в серьёзных прогнозах, хотя часто присутствует «между строк». Это стабилизирующая роль накопленного потенциала, присущего всем зрелым энергетическим технологиям, будь то добыча и переработка угля, нефти и газа, производство гидро- и атомной энергии. Вложенные инвестиции, сроки эксплуатации объектов, накопленный технологический опыт и просто человеческий капитал неумолимо сглаживают темпы смены энергетических технологий, и «убежать» от этого не так-то просто. Характерный пример из атомной отрасли: сроки жизни АЭС. У обладателя самого большого ядерного парка мира, США, уже для 90% всех АЭС сроки эксплуатации продлены с 40 до 60 лет. Недавно три компании заявили о намерении продлить лицензии до 80 лет. В общем, уместно вспомнить нестареющий афоризм Мирового энергетического конгресса: «Разнообразие энергоисточников – краеугольный камень современной энергетики».

Перспективы мировой ядерной энергетики в наибольшей степени зависят от её положения «заложницы» политических решений и в целом по миру имеют разнонаправленный характер. Как справедливо отмечают ведущие российские эксперты [3], «вопреки многочисленным ожиданиям во времена появления первых АЭС в 1950–60-х гг., атомная энергетика так и не стала доминирующим источником энергии». Тем не менее, в пятёрке стран – ведущих мировых производителей энергии (Китай, США, Россия, Индия, Япония) – три имеют долговременные, масштабные и реально выполняющиеся программы ядерного энергетического развития. Из трёх десятков эксплуатирующих АЭС стран (где живёт две трети населения мира) более половины строят новые АЭС или планируют это; около четверти – заявляют об их постепенном закрытии. Осторожность последних оценок просто отражает разные скорости смены политических предпочтений и реальной энергетической политики. В 2017 году к вступлению в ядерно-энергетический клуб стран-владельцев АЭС готовились (на разном уровне – от подписания контрактов до завершения сооружения) пять стран: Египет, Турция, Бангладеш, Беларусь, Объединённые Арабские Эмираты.

В общем приросте энергопотребления за 20 лет эксперты отводят атомной энергии «скромные» 8-15%. Конечно, ядерной генерации в Европе предрекают падение, но Китай собирается продолжать строить по новому реактору каждые три месяца. Похоже, людям предстоит смириться с этим «знакомым злом» в их энергетической корзине.

Нашей стране западные аналитики дружно предсказывают сохранение позиций самого крупного экспортёра первичных энергоресурсов и второго по величине производителя нефти и газа в мире. Рост энергопотребления в России в ближайшие 20 лет ожидается весьма скромный, при сокращении потребления газа и особенно угля. Потребление нефти,гидро- и атомной энергии, как полагают, вырастет на 14-17%, с приоритетом ядерной генерации.

Здесь стоит привести опубликованную позицию курчатовских экспертов [7]: «Предстоящий период экономической жизни страны не требует быстрого роста производства энергии. Настало время вдумчивого совершенствования реакторных технологий, составляющих основу ядерного сектора энергетики страны».

 

Список литературы

1.      BP Statistical Review of World Energy, June 2017

2.      BP Energy Outlook, 2017 Edition

3.      Прогноз развития энергетики мира и России – 2016. ИНЭИ РАН – АЦ при Правительстве РФ, М: 2016

4.      Е.П. Велихов, А.Ю. Гагаринский, С.А. Субботин, В.Ф. Цибульский. Энергетика в экономике XXI века. М: ИздАт, 2010

5.      World Energy Outlook 2016. International Energy Agency, 2016.

6.      Nuclear Power and Sustainable Development. IAEA, Vienna, 2016

7.      П.Н. Алексеев, А.Ю. Гагаринский, Н.Е. Кухаркин и др. Стратегический взгляд на ядерную энергетику России на современном этапе. «Атомная энергия», т. 122, вып. 3, март 2017







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=7904