Тенденции и проблемы мировой энергетики в XXI веке
Лидирующую роль в обозримой перспективе будут играть переработка природного газа и газификация биомассы. Последний источник станет в завершающей декаде XXI в. наиболее важным в глобальном масштабе.
Существенный вклад в получение водорода внесут также технологии солнечной термальной энергии и в меньших масштабах газификации угля. Значительно меньшее значение
Согласно сценарию В1Н2, производство электроэнергии в значительной мере отойдет от традиционных технологий, основанных на использовании ископаемых источников энергии, в сторону альтернативных технологий. Этот переход будет способствовать обеспечению целей устойчивого развития электрогенерирующих систем. К концу XXI в. водородные топливные элементы, ядерные энергетические установки и возобновляемые источники станут основными поставщиками электроэнергии, в то время как электростанции на угольном топливе или нефти полностью утратят свое значение.
Единственным видом ископаемого топлива, который сохранит свое место, останется природный газ, однако его удельный вес будет существенно ниже, чем у новых альтернативных источников. На рис.
2.5 представлены доли различных генерирующих технологий в глобальном производстве электроэнергии к 2020, 2050 и 2100 гг.
Переход на новые виды топлива будет иметь существенное значение для организации отрасли. На смену мощным электростанциям придут маломасштабные генерирующие системы, которые будут создаваться вблизи от потребителей электроэнергии.
К концу XXI в. децентрализованные системы, основанные главным образом на использовании водородных топливных элементов и преобразователях солнечной энергии, будут обеспечивать почти половину потребностей рынка в электроэнергии. В частности, доля водородных топливных элементов по прогнозу достигнет к 2100 г. 38%.
Согласно принятому сценарию, на протяжении всего столетия будет происходить сдвиг в конечном потреблении энергии в сторону более экологически чистых, гибких и удобных для потребителей энергоносителей (рис. 2.6). Твердые топлива (уголь и биомасса) будут вытеснены с рынка конечных источников энергии.
Доля превалирующих сегодня на этом рынке нефтепродуктов существенно сократится. Доминирующую роль в конечном потреблении станут играть электричество и водород.
Последний к концу XXI в. станет главным конечным энергоносителем, доля которого достигнет 49%.
Ожидаемым изменениям будет способствовать развитие технологии топливных элементов. Они станут играть ключевую роль на транспорте (где будут вытеснять превалирующие сегодня двигатели внутреннего сгорания), в ключевых промышленных нишах, в быту и бизнесе.
На рис. 2.7 показана ожидаемая по сценарию В1Н2 глобальная динамика рынка топливных элементов по сравнению с другими технологиями на транспорте.
Как видно из рисунка, агрегированная доля топливных элементов превысит 51% в 2050 г. и вырастет до 71% к 2100 г. Основными среди них будут водородные топливные элементы, однако важное дополнение к ним составят топливные элементы на спирте.
Столь широкое распространение топливных элементов будет иметь важные последствия не только в энергетике и на транспорте, но и в других секторах экономики. Однако для этого необходимо преодолеть ряд проблем, связанных с их хранением, транспортировкой и созданием необходимой для
того инфраструктуры. Одна из проблем риски применения водородных топливных элементов в быту и на транспорте.
Другим важным следствием перехода на водородные топливные элементы станет снижение выбросов углерода. Об этом свидетельствует, в частности, сравнение сценария В1Н2 с построенным в 2000 г. сценарием В2, основанным на модели Международного института прикладного системного анализа (модель использует традиционные предположения о влиянии технологического прогресса на окружающую среду).
Как видно из рис. 2.8, в традиционной модели эмиссия углерода от использования энергии и промышленного производства увеличивается с 6,2 Гт углерода в 1990 г. до 14,2 Гт углерода в 2100 г. В сценарии В1Н пик выбросов углерода 10,5 Гт достигается к 2040 г. и затем снижается к 2100 г. до уровня 5,5 Гт, что даже ниже, чем в 1990 г.
На основании полученных оценок авторы прогноза приходят к выводу, что развитие водородной энергетики может принести важные и глубокие изменения в функциониро-
вание современных энергетических рынков и привычные методы ведения бизнеса. Особенно чувствительны к этим изменениям рынки генерируемой электроэнергии и транспорта.
Здесь ожидается появление новых продуктов, новых стандартов сервиса, партнерств в области инновационного бизнеса и пр. Крупномасштабная трансформация глобальной энергетической системы способна привести к чистому с точки зрения окружающей среды и устойчивому будущему человечества.
Однако для ее осуществления сегодня необходимы усилия во многих областях знаний и заинтересованное участие в этой трансформации большинства социальных групп общества. Прежде всего необходима совокупность согласованных мер государства и бизнеса, направленных на стимулирование роста водородной энергетики как устойчивой отрасли.
Таким образом, можно говорить о том, что одной из наиболее важных тенденций мирового научно-технологического развития в настоящее время является концентрация усилий на изучении путей замещения традиционных энергоносителей на более доступные альтернативные и возобновляемые источники энергии. В краткосрочной перспективе можно, в частности, ожидать расширения использования различных видов биотоплива.
Ведущую роль в развитии этого направления будут играть США, страны ЕС и Бразилия. В более долгосрочном плане одним из самых перспективных решений многих энергетических и экологических проблем представляется переход на водородное топливо и широкое использование водородных топливных элементов.
В случае успешного завершения проводимых в этом направлении исследований и разработок можно ожидать получения значимых коммерческих результатов в 2015 2020 гг., что позволит заложить основы для перехода экономики ведущих индустриальных стран мира к новому технологическому укладу.
Водородная энергетика и топливные элементы (ТЭ) в ближайшие годы способны стать устойчивой экономической альтернативой традиционной энергетике. Хотя водород является вторичным энергоносителем и пока стоит дороже ископаемых углеводородных энергоносителей, его применение в качестве топлива в электрохимических энергетических установках с топливными элементами во многих случаях экономически целесообразно уже сегодня.
Топливные элементы представляют собой принципиально новую технологию прямого преобразования энергии водорода (и отдельных видов углеводородного топлива) непосредственно в электрическую энергию, минуя малоэффективные, проходящие с большими потерями, процессы горения и механической работы, которые характерны для традиционных (поршневых и турбинных) энергетических установок (ЭУ).
Мировая отрасль топливных элементов находится сейчас на этапе бурного технологического развития. Регулярно появляются новые, потенциально более конкурентоспособ-
ные технологии и энергетические установки со все более эффективными топливными элементами.
Разрабатываемые топливные элементы работают в различных режимах, зависящих в основном от особенностей используемых конструкционных материалов, технологий изготовления и эксплуатационных требований. Топливные элементы различных типов характеризуются отдельными сильными и слабыми сторонами, обусловливающими области их применения и рыночные ниши.
Они являются ключевым узлом электрохимических энергетических установок и в значительной степени определяют конструкцию (дизайн), надежность, стоимость, компактность, удобство и режимы эксплуатации электрохимических генераторов в целом.
Тенденции и проблемы мировой энергетики в XXI веке
Потребности общества в энергии удовлетворяются за счет ее первичных источников, которые разделяются на возобновляемые и невозобновляемые. В свою очередь невозобновляемые источники энергии делятся на традиционные и нетрадиционные. Традиционные первичные источники энергии углеводороды (нефть и газ) месторождений на континентах и в шельфовых зонах океанов, высококачественные каменные угли, уран и торий (рис.
3.1). Нетрадиционные первичные источники энергии нефтегазонасыщенные резервуары в коллекторах с низкой проницаемостью, тяжелые высоковязкие нефти, природные битумы и природный газ из угольных месторождений, а также водорастворенные газы, высоконасыщенные флюиды сверхбольших глубин, гидраты метана, низкокалорийные высокозольные угли, торфы и рассеянные урановые концентраты.
Возобновляемые первичные источники условно делятся на два направления: первое ориентировано на гидроэнергетику геотермальную, приливную и иные виды гидроресурсной энергии; второе направление включает солнечную и ветровую энергию, атомную и термоядерную энергию, энергию биомассы и водород.
В XX в. преобладающим первичным источником энергии было ископаемое топливо (уголь, нефть, газ). Использовалась также гидроэнергия, а со второй половины века атомная энергия; доля дров и возобновляемых источников энергии
(ВИЭ) была незначительной и падала (рис. 3.2).
В перспективе до 2050 г. в мире ожидается снижение доли первичного топлива и повышение доли возобновляемых источников энергии. Примерно те же тенденции изменения структуры топливного баланса ожидаются и в России.
На рис. 3.2 дана зависимость производства энергоресурсов в мире и в России в период 19002050 гг.
Из диаграммы видно, что в первой половине XXI столетия в России основным первичным источником энергии будет природный газ, явно проявляются тенденции увеличения его потребления и в мире. Потребление нефти к середине века должно стабилизироваться при одновременном росте возобновляемых источников энергии, атомной энергии и энергии угля.
Согласно имеющимся прогнозам, потребление энергии в мире к 2030 г. увеличится на 71% (2% в год).
22 000 20 000 18 000 16 000 14 000
¦ Дрова и ВИЭ
Доля углеводородного топлива в мировом потреблении энергии составит около 86%: доля нефти снизится с 39 до 33% (при этом ее потребление увеличится с 80 млн до 118 млн барр. в день); доля природного газа вырастет с 24 до 26% (при этом его потребление вырастет с 2,7 до 5 трлн м3); доля угля вырастет с 24 до 27%.
Остальные 14% мирового потребления энергии разделят атомная энергия снижение доли с 6 до 5% и возобновляемые источники энергии увеличение доли с 8 до 9%. Производство нетрадиционной нефти, в том числе жидкого топлива из угля и природного газа, а также биотоплива увеличится с 1,8 до 11,5 млн барр. в день (10% от объема мирового потребления нефти).
Известный американский ученый-геолог Кинг Хубберт в 1949 г. предсказывал, что эра углеводородного сырья будет короткой. Согласно эмпирическому закону Хубберта, для нефтяных месторождений максимум добычи нефти наступает через 2040 лет после максимума открытия новых объемов залежей нефти.
Таким образом, важнейшие моменты нефтяной эры можно представить в такой последовательности:
- 1963 г. максимум открытия новых извлекаемых запасов;
- 1983 г. впервые потребление нефти превысило открытие новых запасов;
- 2003 г. впервые (после 1920 г.) не было открыто ни одного крупного месторождения (более 60 млн т);
- 20062010 гг. начало падения мировой добычи нефти.
В соответствии с законом Хубберта мировая добыча нефти должна была сократиться в 2003 г. (1963 + 40 = 2003), однако научно-технический прогресс в нефтяных технологиях немного отодвигает эту дату, по крайней мере на несколько лет.
На рис. 3.3 показан расчетный сценарий добычи нефти, газа и конденсата на период 19302050 гг.
Из рисунка видно, что максимальный объем добычи этих ископаемых попадает на 20122015 гг., в дальнейшем объемы добычи каждого из перечисленных ресурсов неуклонно уменьшаются.
Прогнозы динамики добычи невозобновляемых источников энергии в XXI в. различны, но общая тенденция одна: падение до уровня середины XXI в., хотя и в разные сроки. На рис.
3.4 приведены прогнозы динамики добычи нефти, разработанные несколькими ведущими мировыми нефтяными компаниями. Все они также показывают достижение максимальной добычи нефти в период не позднее 2020 г.
В связи с явно проявившейся тенденцией исчерпания традиционных первичных источников энергии первостепенное значение в перспективе приобретают альтернативные виды топлива. В первую очередь к ним относятся биологическое топливо (биоэтанол, биометанол, биогаз, биодизель) и синтетическое топливо (диметилэфир, метанол, СЖТ, бензин, дизтопливо и т. п.). На рис.
3.5 показаны перспективные виды альтернативного топлива и методы его получения. Все они предусматривают получение промежуточного топлива синтез-газа, который может непосредственно использоваться как топливо либо преобразовываться в жидкое топливо и водород.
Биогаз (55% метана и 2545% СО) получают метановым брожением биомассы при 8090% влажности или анаэробной микробиологической конверсией отходов пищевой промышленности, животноводства, очистных сооружений и коммунальных отходов.
Выход биогаза на тонну абсолютно сухого сырья составляет:
- 250350 м3 для отходов крупного рогатого скота;
- 400 м3 для отходов птицеводства;
- 300600 м3 для различных видов растений.
Производительность электроэнергии составляет от 48 до
104 кВт -ч на 1 т сырья (с КПД 31%).
В Китае в год производят около 7 млрд м3 биогаза. В Дании биогаз обеспечивает до 18% общего энергобаланса страны.
Лэндфилл-газ биогаз из мусорных свалок.
В США имеется свыше 500 заводов по производству лэндфилл-газа, в Европе 750, всего в мире около 2000 (мощность свыше 4000 МВт, масса обрабатываемых отходов свыше 4500 млн т).
Биоэтанол (С2Н5ОН) производят из сахара, извлекаемого из зерновых и крахмалсодержащих культур (биотопливо первого поколения) или из целлюлозы и биоразлагаемых отходов (биотопливо второго поколения).
Чистый этанол недостаточно летуч и используется в смеси: топливо Е85 смесь 85% биоэтанола и 15% бензина.
Теплотворная способность биоэтанола в 1,56 раза ниже, чем у бензина, октановое число больше 100. Использование биоэтанола требует доработки автомобилей.
Многотопливные автомобили FFV (Flex fuel vehicle) можно заправлять бензином и топливом Е85.
Законом об энергетической политике США (Energy Policy Act) предусмотрены субсидии и налоговые льготы производителям биоэтанола и топлива (каждому владельцу автомобиля FFV 3,4 тыс. долл.).
К концу 2007 г. в США будет около 150 заводов по производству биоэтанола с объемом производства около 24 млрд л в год (3% от объема годового потребления топлива в США, который превышает 750 млрд л бензина и дизтоплива).
В России пока только заявлено о намерении строительства заводов по производству биоэтанола в Волгограде, Тамбове, Липецке.
Биодизельное топливо получают из растительных масел и масляничных растений (подсолнечник, маис и др.).
Современные дизельные двигатели могут работать на 100%-ном биодизельном топливе. Теплотворная способность биодизеля такая же, как и у солярки.
Биодизель сгорает быстрее солярки и дает более чистый выхлоп (выбросы СО сокращаются на 75%).
Торговая марка в США топливо В20 смесь 20% биодизеля и 80% солярки. Чистый биодизель топливо В100 пока на 30% дороже солярки.
При низких температурах биодизель превращается в густую пасту. Для поддержания его в жидком состоянии необходимо использовать специальные присадки или систему подогрева смеси биодизеля с соляркой.
Синтетическое топливо. Вещества, по химическому составу похожие на бензин, керосин и дизельное топливо, можно получать из природного газа и бурого угля.
Получаемая из природного газа по технологии GTL (Gas to liquids газ в жидкость) синтетическая нефть превосходит ископаемую нефть. Она содержит меньше серы и азота и больше дизельной фракции.
Метод получения СЖТ называется технологией Фишера Тропша. Сегодня в мире действует два крупных завода по производству СЖТ из природного газа: в ЮАР (компания Sasol) и в Малайзии (компания Shell).
Завод по производству СЖТ из угля имеется в ЮАР (компания Sasol).
Предусматривается строительство большого количества таких заводов во многих странах. К 2010 г. производство СЖТ достигнет 15 млн т, к 2015 г. 75 млн т, к 2020 г. до 90 млн т.
Технология GTL позволяет превращать в СЖТ большие запасы газа, использование которого раньше считалось экономически невыгодным.
Диметиловый эфир (ДМЭ) простейший эфир (СН3ОСН3), применяемый в производстве аэрозолей. Получают ДМЭ из метанола или из синтез-газа.
При давлении более 8 атм и температуре менее 38С ДМЭ находится в жидком состоянии. По физическим свойствам наиболее близки к ДМЭ пропан и бутан, однако у него в 1,5 раза ниже теплотворная способность, что определяет во столько же раз больший расход ДМЭ.
Высокое октановое число 55 60 (у ДТ 40 50) и низкая температура кипения обеспечивают хороший холодный запуск двигателя.
Для применения ДМЭ требуется доработка топливной аппаратуры дизелей. Емкость топливного бака (баллонов) должна быть в 1,7 раза больше, чем при работе на солярке.
В настоящее время производство ДМЭ в мире составляет около 250 тыс. т в год.
Метанол (метиловый спирт СН3ОН) является одним из важнейших многотоннажных продуктов, выпускаемых современной химической промышленностью. Это важное и экономически эффективное сырье для получения водорода и синтез-газа.
Чистый метанол недостаточно летуч, поэтому при использовании метанола в качестве моторного топлива его смешивают с бензином. Смесь 85% метанола с 15% бензина называется топливо М85 и имеет октановое число более 100.
Теплотворная способность метанола в 2 раза меньше, чем у бензина.
Одно из основных преимуществ метанола в энергоустановках на топливных элементах перед другими видами топлива его химическая чистота.
Достоинства метанола: дешевизна, простота хранения и низкий уровень температур при переработке его в водород.
Недостатки метанола: низкое содержание водорода 12,5% (в метане 25%), токсичность, небольшая удельная энергоемкость.
Гидрат метана. Помимо традиционных ресурсов природного газа существуют нетрадиционные (шахтный метан 20 трлн м3, газ в подземной гидросфере 10 трлн м3, газогидраты 20 000 трлн м3), добыча которых может быть освоена не ранее второй половины XXI в.
Гидрат метана кристаллическое соединение метана и молекул воды, похожее на лед или мокрый снег, которое образуется под воздействием низких температур и высокого давления в зонах вечной мерзлоты или на глубине мирового океана. Потенциальные запасы гидрата метана в несколько раз превышают разведанные наземные запасы всех энергоносителей.
Промышленной технологии добычи пока не существует. Это соединение крайне нестойко, что существенно затрудняет его сбор с морского дна.
США, Канада, Япония, Германия и Индия осуществляют проект опытной добычи гидрата метана из вечной мерзлоты в районе канадской провинции Маккензи.
Водород. Водород не является первичным источником энергии. Водород это не топливо, он только носитель энергии, как электричество.
Водород гораздо легче сохранять, чем электроэнергию, но, чтобы выделить водород, необходимо затратить энергию.
Молекулярный водород содержит в себе в 3 раза больше энергии, чем равное ему по весу количество бензина (143 МДж/кг против 46 МДж/кг) (рис. 3.6).
В мире производится ежегодно свыше 50 млн т водорода.
Применение водорода в сочетании с ТЭ приводит к экономии первичного углеводородного топлива, из которого может производиться водород, а также к улучшению экологической ситуации.
На рис. 3.6 показаны удельные весовые и объемные энергоемкости различных видов топлива.
Наибольшую весовую энергоемкость имеет водород 33 500 кВт -ч/т, за ним следует природный газ 13 800 кВт - ч/т. Вместе с тем водород имеет и наименьшую удельную объемную энергоемкость 600 кВт ¦ ч/м3 (при 200 бар).
Тем не менее следует признать, что водород является одним из самых перспективных энергоносителей.
Энергорасточительная экономика России
Самая важная проблема российской энергетики использование устаревших, неэффективных и неэкономичных технологий сжигания углеводородного сырья при низком КПД его преобразования. Существующие технологии генерации тепло- и электроэнергии безнадежно устарели, а их продукция неконкурентоспособна.
Ненадежное централизованное энергоснабжение становится все более уязвимым и опасным как для экономики России, так и для населения страны. Основная масса действующих сегодня электростанций, сете-
вых и распределительных систем вводилась в эксплуатацию в 6070-е годы прошлого столетия.
Нынешние проблемы отечественной энергетики носят уже не преходящий конъюнктурный, а структурный и системный характер. Их решение требует серьезной корректировки нашей энергетической политики, разработки и реализации новой концепции надежного энергообеспечения на основе гибких и высокоэффективных инновационных энергетических технологий и технических устройств, позволяющих производить и доставлять потребителям требуемое количество необходимых энергоносителей с минимальными энергетическими потерями и удельными затратами.