Производство и потребление энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

Энергетический факультет

Кафедра "Промышленная теплоэнергетика"

Реферат

Производство и потребление энергии

Подготовил

Студент гр. ТЭбд - 21

Дворцов Д.В.

Проверил

преподаватель Гуркин В.А.

Ульяновск 2014 г.

Содержание

Введение

1. Потребности в энергии

2. Производство энергии

3. Изменения в энергопотреблении и энергопроизводстве

4. Энергопотребление и энергопроизводство будущего

5. Спрос на электроэнергию

6. Снабжение электроэнергией

7. Топливо для производства электроэнергии сегодня

8. Ресурсы для будущего производства электроэнергии

Заключение

Список литературы

Введение

Вся потребляемая энергия приходит к нам, в конечном счете, или от солнца или из недр земли. Солнце согревает нашу планету, снабжает требуемым светом и теплом растения для роста. В далеком прошлом солнце таким же образом снабжало нашу планету энергией. Эта энергия преобразовывалась в растения, поддерживала жизнь животных. Благодаря этому мы получаем сегодня уголь, нефть и природный газа - так называемые органические топливные ресурсы, от которых существенно зависит наша цивилизация.

Единственный альтернативный источник энергии не органического происхождения, находящийся в земле, - это атомы некоторых элементов, которые сформировались задолго до появления солнечной системы. Они находятся сегодня в земной коре.

Количество энергии на единицу массы атома зависит от размера атома: минимальное количество энергии на единицу массы содержится в атомах средних размеров (таких как углерод и кислород), в то время как большее количество содержится в малых атомах (таких как водород) или больших (таких как уран). Энергия поэтому может быть получена либо путем соединения малых атомов в атомы средних размеров (синтез), либо путем деления больших атомов на атомы средних размеров (расщепление). Освоение человечеством энергии синтеза и энергии расщепления является одним из наиболее важных достижений последнего столетия.

Большое значение сохранения органических источников энергии очевидно даже в областях, где пока их использование достаточно дешево. Постепенное выравнивание энергетических потребностей в развитых странах за последнее десятилетие является результатом увеличения производства энергии. Однако непрерывный рост энергетических запросов в развивающихся странах постоянно увеличивает расход природных ресурсов планеты, несмотря на стремление к их сохранению.

Многие люди в развивающихся странах стремятся к уровню жизни, характерному для развитых стран. Осуществление этих надежд зависит от доступности энергетических ресурсов. Рост населения земли от сегодняшнего уровня в 6 миллиардов к прогнозируемому в 7.5 миллиардов в 2020 году значительно увеличит потребности в энергии.

1. Потребности в энергии

Энергетические потребности индустриальных стран определяются тремя основными факторами:

· Коммунальное хозяйство и торговля

· Промышленность и сельское хозяйство

· Транспорт

Во многих странах каждая из этих позиций составляет примерно одну треть всех энергетических потребностей, хотя размер коммунального потребления существенно зависит от климатических особенностей страны. В Австралии, например, внутренние потребности относительно малы, а в Канаде несколько больше из-за более холодного климата.

Более определенно можно говорить о специфических потребностях, если учитывать следующие факторы:

· Требуется ли для снабжения теплом населения и производственных процессов вода с температурой до 110°C.

· Требуется ли для снабжения теплом населения и производственных процессов вода с более высокой температурой (более чем 110°C).

· Каковы потребности в освещении.

· Каково энергопотребление в производстве.

· Насколько развит общественный и частный транспорт.

Таблица 1.

Производство электроэнергии

Тераватт часы (TВтч, или миллиард кВтч)

	1987	1997	Темпы роста за последние десять лет
Все страны, входящие в "Организацию экономического сотрудничества и развития"	6232	8839	42 %
Все страны, не входящие в "Организацию экономического сотрудничества и развития"	4368	5110	17 %
Во всем мире	10600	13949	32 %
Страны, не входящие в "Организацию экономического сотрудничества и развития"
Страны бывшего СССР	1660	1234	-17 %
Африка	280	399	42 %
Латинская Америка	542	688	27 %
Азия (исключая Китай)	613	1053	72 %
Китай	497	1163	134 %
Ближний Восток	197	366	86 %

2. Производство энергии

Многообразие существующих сегодня источников энергии можно разбить на три основные категории:

· Возобновляемые источники энергии: древесина и некоторые зерновые культуры, пригодные для производства, например, этилового спирта или метанола.

· Невозобновляемые источники энергии: уголь, газ и нефть (органические топливные ресурсы), уран и торий (энергия расщепления), тритий и дейтерия (энергия синтеза) *.

· Возобновляемые естественные источники энергии: солнечная теплота и свет, энергия ветра, энергия океанских волн, энергия течения рек, геотермальное тепло, океанские температурные градиенты.

Если дейтерий (тяжелый водород) будет когда-либо использован для реализации устойчивой реакции синтеза, то большие количества этого элемента, находящегося в морской воде, делают его практически безграничным энергетическим ресурсом. Поэтому его можно классифицировать как возобновляемый источник энергии (см. также 2.4).

Эти основные энергоисточники позволяют получать следующие энергоносители:

· Электроэнергия, которая может быть получена от многих основных источников.

· Водород, который получают, главным образом, электролизом воды.

· Этиловые спирты, получаемые из древесины и других растительных материалов.

· Бензин и газ, которые получают из нефти и угля.

На сегодняшний день важнейшее значение для человечества имеет электроэнергия, хотя и водород имеет перспективы играть существенную роль в будущем.

Многие энергетические потребности могут быть удовлетворены более чем одним видом энергоносителя. Например, теплота может производиться либо с помощью любого органического топлива, либо с помощью электроэнергии, либо с помощью энергии солнца. Энергоноситель для транспорта (бензин, керосин и проч.) может быть получен из нефти или газа. В будущем, возможно, водород здесь займет главную роль.

Экономическая целесообразность подразумевает, что источники энергии типа нефти и ее производных должны не использоваться там, где они могут быть замещены более подходящим топливом.

Основные энергетические ресурсы Австралии и Канады показаны в Таблицах 2A и 2B. Австралия имеет большие природные запасы угля и урана, и намного меньшие нефти и газа. Это находит свое отражение в торговле энергетическими ресурсами. Обе страны импортируют нефть и экспортируют уголь и уран. Канада имеет большие природные запасы урана, который составляет важную часть ее экспорта, наряду с углем и газом.

Таблица 2A.

Энергетическое состояние Австралии*

(Петаджоули - 1015 Джоулей)

	Экономические ресурсы (ПДж)	Полный расход 1997-78	Торговля 1997-78
Каменный уголь	1 323 000	1 374	4 617 (экспорт)
Бурый уголь	398 000	630	2 (экспорт в брикетах)
Нефть	15 650	1 657	421 (импорт)
Сжиженный нефтяной газ	4 611	7	148 (экспорт)
Природный газ	53 040	860	412 (экспорт)
Уран (для легко-водных реакторов)	444 000	-	3 015 (экспорт)
Гидроэлектроэнергия		56
Древесина и прочее		226
	Всего	4 810	8 615 (экспорт)

Таблица не включает большое количество солнечной энергии, используемой внутри страны. Например, Австралийская солевая промышленность использует приблизительно 1000 ПДж в год на производство соли естественным испарением воды, что составляет, примерно, 2/3 всей энергии, вырабатываемой в стране с помощью нефти.

Таблица 2B.

Энергетическое состояние Канады*

(Петаджоули - 1015 Джоулей)

	Экономические ресурсы (ПДж)	Полный расход 1998	Торговля 1998
Уголь: антрацит и битуминозный	120 000		517 (экспорт)
Уголь: весь		1271
Уголь: подбитуминозный и лигнит	76 000
Нефть	53 200	4 098	1 832 (экспорт)
Природный газ	74 400	2 646	3 356 (экспорт)
Уран (для легко-водных реакторов)	255 000		4 137 (экспорт)
Уран (для реакторов CANDU)	332 000	780
Гидроэлектроэнергия		1 085	99 (экспорт)
Другие		569
	Всего	10 449	9 941 (экспорт)

3. Изменения в энергопотреблении и энергопроизводстве

Распределенность энергетических ресурсов на планете означает, что с ростом их потребления, увеличивается и роль международной торговли в этой сфере. Энергетически бедные страны становятся зависимыми от поставок энергоносителей странами, богатыми энергоресурсами. Из-за фундаментального значения энергии для экономики, такие страны-импортеры становятся уязвимыми как с политической так и с экономической точек зрения.

Наглядная иллюстрация этого - существенное изменение роли нефти. До начала 1970-ых годов многие страны пришли к зависимости от импорта нефти из-за ее относительно низкой цены, а мировое производство нефти выросло втрое за период с 1960 по 1973 годы. Внезапное, почти четырехкратное повышение цен на нефть привело к тому, что в 1979 году разразился "нефтяной кризис". В результате, мировое потребление нефти в 1986 году осталось таким же, как и в 1973, несмотря на существенное увеличение полного энергопотребления в мире. Прогнозы же 1972 года предсказывали двойное увеличение потребления нефти через десять лет (т.е. к началу 1980-ых годов).

Япония, например, имеет незначительные собственные запасы угля, нефти и гидроэнергоресурсов. Это означает, что без увеличения импорта нефти она не в состоянии покрыть три четверти своих потребностей в энергии. Даже США, имеющие собственные запасы нефти, сталкиваются с трудностями по оплате импорта необходимого количества нефти, покрывающего снижение собственного производства.

Проблемы с ценами на нефть и ее поставками в 1970-ых годах стимулировали более активное использование других энергетических ресурсов:

· Увеличилась добыча угля и международная торговля углем для частичного замещения использования нефти.

· Увеличился интерес к использованию ядерной энергии в энергодефицитных странах.

· Во всех странах стали более внимательно рассматривать вопросы снижения потребление энергии.

· Более серьезное внимание стали уделять возобновляемым источникам энергии.

Эти тенденции продолжились и в 1990-ых годах. Во всем мире происходит значительное снижение энергозатрат в экономике. Сокращено использование нефти для производства электроэнергии. Увеличилось использование природного газа. Исключение составили лишь надежды некоторых государств на внесение существенного вклада в производство энергии от возобновляемых источников.

Следствием тенденций, порожденных нефтяным кризисом, явилось уменьшение потребления энергии на единицу валового национального продукта на 1.3% в странах, членах OECD (Организация экономического сотрудничества и развития), и это, как ожидается, будет иметь место и для других развивающихся странах в будущем. Однако, в то же самое время потребление электроэнергии на единицу валового национального продукта постоянно растет, что отражает ее постоянно возрастающую роль практически во всех странах.

Электроэнергия уникальна с точки зрения приведения в действие машин и механизмов, освещения предприятий и домов. Она используется для получения тепла и для других целей, где традиционно используются иные альтернативные способы. С одной стороны, можно согласиться, что ввиду низкой эффективности превращения любой энергии в электрическую (КПД обычно 30-35 процентов) использование, например, природного газа должно быть более предпочтительным везде, где требуется получение тепла (эффективность в этом случае вдвое больше). С другой стороны, можно согласиться, что урановые и угольные ресурсы, которых намного больше газовых, должны применяться везде, где это возможно, и что использование произведенного таким образом электричества для получения тепла будет более желательным, несмотря на больший расход топлива. Большинство людей считают, что солнце самый обильный источник энергии в мире и с радостью использовали бы его энергию не только для получения тепла, но и для крупномасштабного производства электроэнергии. Вопросы, связанные с преобразованием солнечной энергии в электрическую обсуждаются более подробно в разделе 2.4.

Принимая во внимание всю цепочку энергетических затрат, начиная от добычи до окончательного использования, получаем, что эффективность газа и нефти для производства тепла (КПД) составляет приблизительно 40-45%. Для современных газовых печей высокой производительности это значение увеличивается до значений, близких к 70%, но сильно зависит от удаленности газовых месторождений.

В следующих главах подробно рассматриваются вопросы потребления и производства электроэнергии. Особое внимание уделяется использованию ядерной энергии для производства электроэнергии. Основное ядерное топливо - это уран - металл, который в настоящее время не имеет фактически никаких других гражданских приложений. Однако прежде чем мы обратимся к этой теме, важно обсудить некоторые вероятные будущие тенденции в мировом энергопроизводстве и энергопотреблении более подробно

4. Энергопотребление и энергопроизводство будущего

Как мы будем удовлетворять свои энергетические потребности в будущем?

Здесь имеется некоторая неопределенность:

· Производство нефти было максимальным в 1979 году и до 1994 года не возвращалось к этому уровню. Издержки производства по существу остались на уровне 1973 года. Цена на нефть в значительной степени зависит от политических факторов.

· Производство природного газа, при увеличивающихся сегодня темпах, вероятно, приблизится к своему пику в многих странах через пару десятилетий.

· Затраты на добычу угля постоянно возрастают, а его использование приводит к повышению глобальных температур на планете (парниковый эффект).

· Имеется неопределенность по реализации ядерных программ во многих странах.

· Имеются существенные ограничения в практическом использовании возобновляемых энергетических ресурсов,

· Дальнейшие возможности энергосбережения ограничены без радикальных перемен в образе жизни в развитых странах, и фактически исчерпаны в развивающихся странах.

До начала 1970-ых годов мировые энергетические потребности легко и дешево удовлетворялись нефтью и природным газом всякий раз, когда энергопотребление имело тенденцию превышать энергопроизводство. Однако, после 1973 года, когда возникли серьезные сомнения относительно беспредельной доступности нефти, многие индустриальные страны стали разрабатывать иные стратегии своего развития, предполагающие гораздо большее использование ядерной энергии.

Решение будущих задач энергопроизводства на основе использования возобновляемых источников энергии оказалось непрактичным. Их непостоянность, высокая стоимость, недостаточный уровень технологического развития существенно ограничивает их потенциал.

Несмотря на все эти неопределенности, стратегическое планирование в сфере энергопроизводства должно обеспечивать будущие потребности. Для этого планирование должно базироваться на темпах прироста населения, темпах экономического и социального развития и доступности энергоресурсов (что касается и их цен).

Мировое потребление энергии устойчиво растет на протяжении многих десятилетий. Даже после временного повышения цен на нефть в 1973 году и последующего экономического спада, мир продолжает использовать все большее количество энергии каждый год и можно ожидать, что так будет и в будущем. Хотя темпы роста никогда, по-видимому, не будут столь же высоки, как до 1973 года, очевидно, что экономический рост происходит в большинстве наций и увеличение энергопотребления является неизбежной частью этого роста. Население земного шара, как ожидается, достигнет к 2020 году 7.5 миллиардов, что также будет способствовать росту энергопотребления. Быстро возрастающие потребности в питьевой воде во многих частях нашей планеты (например, в Северной Африке и странах Персидского залива) должны удовлетворяться развитием опреснительных систем, которые также увеличат потребности в энергии.

Рисунок 1

Если принять все эти факторы во внимание, то окажется, что минимальный рост энергопотребления в будущем мире будет составлять 1.5 - 2.0 процента в год. Для достижения даже такого уровня ежегодного роста требуется как расширение традиционных способов производства энергии, так и продолжение усилий по энергосбережению и увеличения эффективности использования энергии. Повышение эффективности использования энергии позволит на основе существующих ресурсов производить с большим КПД полезную работу, свет и теплоту чем это было до настоящего времени.

Начиная с 1970-ых годов, экономические факторы ограничивали энергозапросы, что привело к беспрецедентному увеличению эффективности использования энергии в промышленности и транспорте, по крайней мере, в странах, членах OECD. Прогнозируемое потребление энергии в этих странах увеличится незначительно, в то время как, в развивающихся странах, как ожидается, оно будет расти очень быстро.

Потребление электроэнергии возрастает намного быстрее, чем полное энергопотребление. Там, где за период с 1980 по 2020 годы потребление всей энергии удвоится, потребности в электроэнергии возрастут в три и более раза за тот же самый период.

В 1998 году Мировой энергетический совет (IASA) опубликовал прогноз мирового потребления электроэнергии на 2020 год в 20000 ТВт (14000 ТВт в 1997 году). Прогноз был сделан на основе сегодняшних моделей потребления энергии и предположения о сравнительно медленном прогрессе развивающихся стран (другие сценарии развития дают значения от 16000 до 23000 ТВт).

Будущие возможности энергосбережения существенно зависят от того, в каком секторе экономики они используются. Там, где энергия существенно используется в индустриальных процессах или на транспорте, главные шаги по повышению эффективности и снижению затрат уже предприняты. Но там, где энергетические затраты относительно менее существенны (в коммунальном хозяйстве, например), имеется намного больше возможностей для дальнейшего развития возможностей энергосбережения.

Энергосбережение очень трудно прогнозировать. Для большей его эффективности требуется постоянный учет будущих перспектив более высоких энергетических затрат. В большой степени это зависит от образа жизни, который все более и более ориентируется на энергосбережение. Несмотря на популярные идеи охраны окружающей среды, гораздо больший приоритет в мире имеют идеи удобного и комфортного проживания.

Таблица 3

Теплотворная способность различного топлива и коэффициенты выброса CO2

	Теплотворная способность	Единицы	% содержания углерода	CO2
Сырая нефть	45-46	МДж/кг	89	70-73 г/МДж
	37-39	МДж/л
LPG	49	МДж/кг	81	59 г/МДж
Природный газ	39	МДж/м3	76	51 г/МДж
	55	МДж/кг
Каменный уголь (NSW и Qld)	21.5-30	МДж/кг	67	90 г/МДж
Каменный уголь (SA и WA)	13.5 - 19.5	МДж/кг
Каменный уголь (Канадский битуминозный)	27.0 - 30.5	МДж/кг
Каменный уголь (Канадский подбитуминозный)	18	МДж/кг
Бурый уголь (в среднем)	9.7	МДж/кг	25
Бурый уголь (Loy Yang)	8.15	МДж/кг		1.25 кг/кВт
Древесина (сухая)	16	МДж/кг	42	94 г/МДж
Естественный уран (в легко-водных реакторах)	500	ГДж/кг	-	-
Естественный уран (в легко-водных реакторах с U и Pu повторного цикла)	650	ГДж/кг	-	-
Естественный уран (в CANDU)	650	ГДж/кг	-	-
Естественный уран (в реакторах на быстрых нейтронах)	28000	ГДж/кг	-	-
Уран, обогащенный до 3.5 % (в легко-водных реакторах)	3900	ГДж/кг	-	-

5. Спрос на электроэнергию

Спрос на электроэнергию в индустриальном обществе определяется многообразием источников его потребления, включая:

Промышленность

· предприятия, работающие в непрерывном режиме 24 часа в сутки.

· предприятия, работающие 8-10 часов по будним дням.

Торговлю

· большая часть предприятий, работающих по 10-15 часов в будние дни.

Общественный транспорт

· работающий в течение дня и вечером.

Дома и коммунальное хозяйство

· отопление или кондиционирование, главным образом в течение дня и вечера.

· приготовление пищи (утром и вечером).

· изменение уровня подачи воды и потери тепла, особенно в течение ночи.

Как следует из перечисленных факторов, уровень потребления электроэнергии колеблется в течение суток, в течение недели и в течение смены сезонов. Эти колебания различны в разных районах, в разных странах и зависят как от климатических условий, так и от многих других факторов. Заметим, что базовая нагрузка составляет приблизительно 60% от максимальной нагрузки в течение типичного буднего дня.

Соответствие реальной базовой потребности и количества непрерывно производимой электроэнергии - ключевой фактор в любой энергетической системе. Каждый потребитель должен надежно получать необходимую ему электроэнергию.

Аналогично ежедневным и еженедельным колебаниям в потреблении электроэнергии существуют изменения в картине потребления из года в год. Поэтому при прогнозировании уровня потребления электроэнергии на десятилетия и более, необходимо принимать во внимание такие факторы как:

· Сезонные колебания потребления, связанные, например, с летним кондиционированием воздуха.

· Постоянно увеличивающаяся электрификация общественного транспорта.

· Возможная электрификация частного транспорта, или его переход на водородное топливо, производимое с помощью электролиза.

· Использование солнечной энергии, заменяемой электроэнергией в течение периодов неблагоприятной погоды.

· Влияние факторов, увеличивающих непиковое потребление электроэнергии.

· Практический эффект от использования энергосберегающих технологий.

· Целесообразное использование малогабаритных возобновляемых источников электроэнергии.

· Потери при генерации и транспортировке электроэнергии.

· Изменение потребностей промышленности.

· Развитие новых способов передачи электроэнергии на большие расстояния (пятьдесят лет назад расстояние в 600 км было максимально возможным для эффективной передачи электроэнергии, а с 1960-ых новые технологии допускают уже передачу более чем на 2000 км).

Некоторые из этих факторов влияют на полное потребление электроэнергии, в то время как другие определяют относительное значение базисного потребления. Экономика требует, чтобы потребности в энергии удовлетворялись, насколько это возможно, из базисного уровня производства электроэнергии, с возможным подключением в некоторых случаях резервных возобновляемых источников. [1]

6. Снабжение электроэнергией

Из-за больших флуктуаций в потреблении электроэнергии в течение дня, необходимо иметь несколько типов электростанций, покрывающих как базисные и промежуточные, так и пиковые нагрузки. Базисные нагрузки обычно компенсируются крупными электростанциями на уровне их номинальной мощности. В Австралии, например, это тепловые электростанции, работающие на органическом топливе, в то время как в Канаде это комбинация атомных электростанций, гидроэлектростанций и тепловых электростанций. Станции для снабжения промежуточных и пиковых нагрузок должны выравнивать общие нагрузки в сети при нескольких включениях в течение суток. Для этих целей используются различные методы и устройства, включая газовые турбины, паровые котлы, работающие на жидком топливе, гидроэлектростанции. Оборудование для компенсации пиковых нагрузок характеризуется низкой стоимостью основных средств, и относительно высокой стоимостью топлива. Станции же для базисного снабжения электроэнергией разрабатываются таким образом, чтобы минимизировать стоимость топлива, а относительно высокая стоимость основных средств может быть скомпенсирована доходами от производства и продажи энергии в течение нескольких лет.

Самую дешевую электроэнергию потребитель получает в том случае, когда возрастание пиковой нагрузки очень мало, и установившийся базисный уровень потребления достаточен для бесперебойных поставок энергии. Однако любая действующая система энергоснабжения должна учитывать возможные аварийные и профилактические остановки оборудования. Базисные электростанции в Виктории (Австралия), например, составляют более половины всех генерирующих мощностей и производят более 85 процентов полного производства электроэнергии. Примерно одна третья часть генерирующих мощностей используется для компенсации промежуточных нагрузок в течение суток. Пиковые нагрузки компенсируются имеющимся небольшим резервом энергии в моменты значительного увеличения потребления электроэнергии. Система энергоснабжения в Виктории достаточно типична для многих развитых стран. Стоимость оборудования электростанций пиковой нагрузки, типа газовых турбин, примерно в два раза ниже стоимости базовых станций, работающих на угле. Кроме того, такие станции достаточно быстро строятся и вводятся в эксплуатацию. Однако, стоимость газового топлива намного дороже стоимости угля, затраченного на единицу произведенной энергии. Использование современных газотурбинных установок, имеющих более высокую эффективность, может уменьшить это различие. В местах, где позволяют географические условия местности, можно создавать запасы воды в водохранилищах и использовать ее для производства электроэнергии с помощью гидроэлектростанций для компенсации пиковых нагрузок. Стоимость таких станций может быть столь же низка, как и стоимость электростанций, использующих газовое топливо, а их эксплуатация позволит увеличить продолжительность вклада базовых станций в общую нагрузку электрической сети.

энергия атом топливо

Рисунок 2. График нагрузки Викторианской (Австралия) электросети

График нагрузки Викторианской (Австралия) электросети в течение одного зимнего буднего дня. Показаны относительные вклады пиковой, промежуточной и базовой нагрузки. Форма кривой заметно изменяется в соответствии с характером потребления электроэнергии: пики отражают увеличение потребления в течение дня, связанное с необходимым отоплением помещений. Заметим, что при базисном потреблении приблизительно в 4100 МегаВатт, общее производство электроэнергии должно иметь резерв, по крайней мере, на 50% больше этой величины. Последнее может быть обеспечено дополнительной электростанцией с 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.

7. 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 гидротопливных 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.

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).

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.

8. 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.

Рисунок 3

Рисунок 4

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. 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. 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. 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.

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. 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 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). 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]

Заключение

Как правило, страны, не имеющие дешевого угля или достаточного количества газа, одобряют использование ядерной энергии, как более дешевой.

В некоторых же странах (например, в Австралии, где угольные резервы и потенциал его производства намного превосходят внутренние потребности) использование угля для производства электроэнергии выгоднее по сравнению с ураном.

Однако, в мировой перспективе, из-за увеличения потребностей в электроэнергии наряду с возможным глобальным потеплением климата на земле, усиление приоритета ядерной энергетики в базисной генерации электроэнергии является неизбежным.

Список литературы

1. Неизбежная связь ядерной энергетики с атомным оружием. А.В. Яблоков, РАН.

2. Родионов В.Г. Проблемы традиционной энергетики // Энергетика: проблемы настоящего и возможности будущего. - М.: ЭНАС, 2010. 352 с.

Размещено на Allbest.ru

...