Атомная энергетика
Поскольку «послечернобыльский шок» к настоящему времени более или менее завершился, создались условия для достаточно объективной оценки современного состояния и перспектив атомной энергетики, тем более, что ее развитие успешно продолжалось и в последние годы. Хорошо известно, что во Франции на долю АЭС приходится более 70% производства электроэнергии, а две АЭС в Шотландии вносят 55%-ный вклад в суммарное производство электроэнергии (заметим, что доля ветроэнергетики составляет в данном случае всего 0.3%). Интенсивно развивается атомная энергетика в Китае, Иране и в других странах. Постепенное оживление произошло в США, что выразилось в дискуссии о необходимости сооружения новой АЭС. Во всем мире в настоящее время функционируют более 100 АЭС. В США атомные станции обеспечивают примерно 20% потребления электроэнергии при ведущей роли электростанций, работающих на каменном угле (>50%) и природном газе (~17%). В развивающихся странах доля атомной энергетики составляет около 25%.
Серьезными преимуществами атомной энергетики являются ее экологическая чистота (в частности, отсутствие выбросов парниковых газов в атмосферу), достаточные запасы необходимого минерального сырья, сравнительно небольшие затраты на функционирование уже построенных АЭС, что определяет более низкие цены на электроэнергию, производимую АЭС. В США стоимость «атомного» электричества равна 1.5 цента/кВт • ч, тогда как для тепловых электростанций, работающих на угле и газе, она составляет соответственно 2 и 3.5 цента/кВт • ч. К числу проблем, сдерживающих развитие атомной энергетики, относится высокая стоимость строительства АЭС. Так, например, затраты на продолжающееся около 5 лет строительство АЭС мощностью 1000 МВт достигают 2 млрд. долл., а на строительство ТЭС, работающей с использованием новой технологии трансформации каменного угля в газ для снижения уровня выбросов — 1.4 млрд. долл. Если учитывать затраты на строительство и эксплуатацию АЭС и предположить ее функционирование в течение 40 лет на уровне 85% мощности, то стоимость электроэнергии возрастает до 6.7 цента/кВт • ч, тогда как в случае тепловых электростанций она равна 4.2 цента/кВт • ч (уголь) и 4-5.6 цента/кВт • ч (применение газовых турбин). Не вполне решенными остаются проблемы безопасности коммерческих ядерных реакторов, а также использования и хранения отработанного ядерного топлива.
Водородная энергетика
В 1970-х гг. появились первые прогнозы практической реализации возможностей использования водородного топлива уже к 2000 г. Этим прогнозам не суждено было осуществиться, но в своем обращении к нации в 2003 г. президент США Дж. Буш выдвинул «Водородную инициативу», которая предусматривала вложения на уровне 1.2 млрд. долл. за 5 лет с целью разработки технологии водородной энергетики и соответствующей инфраструктуры для обеспечения широкого внедрения автомобилей с двигателями на водородном топливе к 2020 г. Губернатор штата Калифорния А. Шварценеггер обнародовал еще более амбициозные планы, согласно которым к 2010 г. в этом штате должна начать функционирование сеть из 150-200 заправочных станций, обеспечивающих работу автомобилей на водородном топливе. Несомненно, однако, что практическому осуществлению программы в области водородной энергетики должны предшествовать серьезные проработки, касающиеся широкого диапазона проблем — от первоначального производства водорода до способов его хранения, распространения и конечного использования в топливных элементах или другим образом.
В настоящее время в США за год производится около 9 млн. т водорода, одна треть которого применяется в производстве аммиака, а остальная часть — на нефтеперерабатывающих заводах. По самым оптимистическим оценкам, массовое применение водородного топлива может стать возможным не ранее 2050 г., и это потребует производства 111 млн. т водорода в год. Возможность реализации подобной перспективы определяется главным образом проблемами стоимости топлива и экологических последствий его использования. Одна из возможных технологий производства водорода — электролиз, обеспечивающий его получение из воды при попутном выделении водяного пара и тепла. Подобная технология очень проста и экологически безопасна, но дорогостояща (особенно при современных ценах на электроэнергию). С такой же трудностью (дороговизной) сталкиваются и технологии получения водорода с использованием возобновляемых источников энергии (ветер, солнечная энергия, сжигание биомассы).
Современная технология производства водорода опирается на использование содержащих углерод и водород ископаемых топлив, из которых наиболее подходящим является природный газ, а соответствующая технология значительно более экономична, чем электролиз, но все же по стоимости в 2-4 раза превосходит расходы на получение бензина в расчете на единицу используемой энергии. Следует учитывать, кроме того, и ограниченность ресурсов природного газа, определяющих перспективу повышения его стоимости. Другая сложность технологии, основанной на использовании природного газа, состоит в наличии в данном случае попутных выбросов углекислого газа, т.е. негативных экологических последствий. С точки зрения доступности значительно более перспективен каменный уголь, но в этом случае еще более серьезными становятся экологические последствия. К числу других возможностей принадлежит использование для получения водорода атомной энергии (на основе применения электролиза или высокотемпературной термохимической технологии) и фотохимической трансформации морских водорослей. Однако реалистичность (и прежде всего экономичность) осуществления двух последних технологий требует тщательного анализа.
Серьезные сложности, безусловно, возникают в связи с решением проблемы распространения и хранения (в частности, на автомобилях) водородного топлива, ввиду малой плотности и взрывоопасности водорода. Что касается производства и распространения, то, по-видимому, наиболее целесообразно производство водорода на крупных предприятиях с последующей транспортировкой его по газопроводам. Некоторый вклад могут внести и перевозки сжиженного водорода. Все эти перспективы требуют серьезного технического и экономического анализа, причем особенно сложной окажется, вероятно, проблема хранения водорода на автомобилях. Наконец, недостаточно ясны пока что технические перспективы использования водородного топлива с применением топливных элементов или усовершенствованных двигателей внутреннего сгорания, работающих на водороде вместо бензина.
Таким образом, на пути к массовому внедрению водородного топлива остается целый ряд технических препятствий, преодоление которых потребует серьезных вложений и усилий на протяжении, по крайней мере, нескольких десятилетий.
Возобновляемые ресурсы
| Таблица 4Мощности по производству электроэнергиии уровни выработки по данным для США за 2003 г. | ||||
| Тип источника энергии | Мощность | Выработка | ||
| ГВт | % | млрд.кВт • ч | % | |
| Ископаемое топливо, включал ядерноеВсе возобновляемые источникиГидроэнергетикаДругие видыВетерГеотермальные источникиСолнечная энергияДревесина/муниципальные твердые отходыВСЕГО | 8239879197.02.00.59.0920 | 89.410.68.62.00.70.20.11.0100 | 34933592758411131593852 | 90.79.37.12.20.30.30.01.5100 |
Вклад возобновляемых источников энергоресурсов в производство электроэнергии остается в целом незначительным. Это можно проиллюстрировать сравнительными данными, относящимися к США (табл. 4). Среди возобновляемых источников энергии преобладает гидроэнергия, но по ряду причин перспективы ее дальнейшего использования крайне ограниченны. На следующем месте располагается (с большим отрывом) ветроэнергетика, характеризуемая высокой степенью роста (11%, начиная с 1990 г.). Производство энергии за счет геотермальных источников остается на низком уровне. Так, в США за период с 1995 г. использование геотермальной энергии даже сократилось на 20.9%. В Японии, на Филиппинах и в Коста-Рике за этот период использование геотермальных источников энергии возросло соответственно на 32.1%, 55.6% и 158.2%. Но в целом выработка электроэнергии за счет геотермальных источников составляет всего 0.25% от общего ее производства в мире.
Хотя с экологической точки зрения использование возобновляемых источников энергии обладает бесспорными преимуществами, они никак не могут стать энергетической «панацеей», прежде всего ввиду их сравнительно высокой стоимости. Так, например, при использовании фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии суммарные затраты (в расчете на 1 кВт • ч) оказываются в тричетыре раза выше, чем в случае применения новой технологии IGCC. Роль возобновляемых источников энергии в будущем зависит от их конкурентоспособности с невозобновляемыми источниками. Решение этой задачи невозможно без серьезной финансовой поддержки.
| Таблица 5Некоторые аспекты проблем, связанных с использованием различных энергоносителей | ||||||
| Энергоно-сительПроблема | Уголь | Нефть | Природныйгаз | Ядернаяэнергия | Возобновляемыеисточники | Водороднаяэнергетика |
| Есть ли проблемыпоставки топлива? | Нет. Разведанные ресурсы огромны | Да и нет. Известных ресурсов хватит на деятилетия (при нынешних ценах) | Нет. Уровень разведанных ресурсов возрастает, превышая сейчас мировое потребление в 70 раз | Нет. Имеются достаточные ресурсы урана и возможности переработки отработанного топлива | Да и нет. Ресурсы велики, но не неисчерпаемы, есть трудности отвода территорий | Да и нет. Существуют различные возможности производства водорода как энергоносителя |
| Существуют ли проблемы стоимости? | Нет. Самый дешевый энергоноситель, цена на который понижается | Да. Сильные колебания стоимости существенно влияют на экономику | Да. Хотя существуют большие ресурсы, они часто располагаются далеко от регионов потребления | Да. Экономическая эффективность АЭС может быть повышена только путем уменьшения затрат на строительство | Да. Стоимость падает (особенно в случае ветроэнергетики), но необходимо субсидирование | Да. Главная проблема — большие затраты |
| Есть ли негативные экологические последствия? | Да. Существуют серьезные экологические последствия | Да. Разливы нефти, выбросы парниковых газов | В некоторой степени. То же, что и в случаях угля и нефти, но в меньшей степени | Да и нет. Нет проблемы выбросов, но есть трудности хранения отходов | Нет. Возможны лишь ограниченные экологические последствия | Да и нет. Некоторые негативные экологические последствия связаны с производством водорода |
| Существует ли зависимость от ненадежной поставки? | Нет. Наиболее значительные потребители обладают огромными ресурсами | Да. Возможная нестабильность поставок с Ближнего Востока и из России | В некоторой степени. То же, что и в случае нефти | Нет. Существуют достаточные запасы урана | Нет. Служат заменой невозобновляемых ресурсов | Может быть. Зависимость от производства водорода из природного газа |
| Имеются ли серьезные технические трудности? | Да. Все еще недостаточно разработаны технологии снижения выбросов вредных газов, а также захвата и усвоения CO2 | Да и нет. Необходимы разработки возможных новых источников нефти, а также усовершенствованных двигателей | Нет. Может продолжаться использование современных технологий | Нет. Может продолжаться использование современных технологий | Да. Очень важно дальнейшее совершенствование фото-преобразователей и других устройств | Да. Многие технические проблемы водородной энергетики остаются нерешенными |
В табл. 5 перечислены основные проблемы, касающиеся различных энергоносителей. Главный вывод состоит в том, что в настоящее время и в обозримом будущем сохранится преобладание невозобновляемых источников энергии (ископаемых топлив и атомной энергии), что диктует, в частности, необходимость осуществления соответствующих программ . по экологической безопасности при развитии мировой энергетики по этому пути. Необходимо также учитывать фактор вмешательства природных бедствий типа урагана Катрина, который в конце августа 2005 г. нанес огромный ущерб энергетике США, разрушив энергетическую инфраструктуру в зоне Мексиканского залива. Цены на жидкое топливо и газ кратковременно возросли на 10-20% и ожидается, что в течение зимы 2005-2006 гг. они будут превышать установившиеся ранее цены на 5- 10%. Ураган Катрина привел к снижению добычи газа и нефти в Мексиканском заливе на 1.34% и 24.6% соответственно. Поэтому рассмотрение перспектив мировой энергетики требует применения системного подхода с учетом как антропогенных, так и природных факторов.