ЭНЕРГИЯ И...

Курс по «Глобальной энергетике»

ЭНЕРГИЯ И ЭНЕРГЕТИКА

В.А. Грачев, научный руководитель Центра глобальной экологии факультета глобальных процессов МГУ им. М.В. Ломоносова, профессор, д.т.н., член-корр. РАН

ВВЕДЕНИЕ

В начале XXI века мировое потребление энергии превысило 5∙1017 кДж/год или около 12 млрд т нефтяного эквивалента. Интенсивность мирового потребления энергии огромна и соответствует непрерывному потреблению мощности 13 млрд кВт, что эквивалентно одновременной и непрерывной работе 2000 Саяно-Шушенских ГЭС. Стремление человечества наращивать энергопотребление входит в противоречие с наличием первичных источников энергии, затратами на их добычу и необратимым вредным воздействием на окружающую среду

Удовлетворить растущие энергетические потребности современного общества и в то же время сохранить окружающую среду является одной из важнейших задач сегодняшнего дня

Карта мирового потребления энергии на душу населения, основанная на данных МЭА

3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ

Энергия – это одно из основных понятий современного естествознания, которое определяет собой меру различных форм движения материи. Энергия в переводе с греческого означает

«деятельность»

Как в быту, так и на производстве энергия занимает центральное место

4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРЕТИКИ

Энергетика – это отрасль народного хозяйства, преобразующая и использующая различные виды энергии в интересах человека Энергия и энергетика представляют собой базис современной и будущей цивилизации, оказывают влияние на темпы социально-экономического развития мира и международные отношения, в связи с чем они постоянно находятся в центре внимания специалистов и общественности

5 5

ЭВОЛЮЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЧЕЛОВЕКОМ

Серьезным шагом эволюции энергетики стало использование огня, когда человек разжег свой первый костер и согрел им свою пещеру С освоением огня потребление энергии в расчёте на одного человека возросло примерно вдвое. Антропогенная энергетика возникла тогда, когда в дополнение к тепловой энергии огня люди научились получать и использовать механическую энергию. Постепенно люди научились использовать энергию малых рек и энергию ветра. Дополнительные сотни ватт мощности способствовали развитию ремесел, торговли и культуры

6 6


Следующая ступень подъема энерговооруженности человеческого труда связана с появлением в конце ХVIII века паровой машины (Д.Уатт, 1769 г.) Научно-техническая революция (НТР) радикально изменила облик мира. Она окончательно закрепила антропоцентрическую идеологию во взаимоотношениях человека и природы Человек поставил себя в центр биосферы, отведя ей роль гигантской кладовой, из которой можно неограниченно черпать ресурсы и складировать обратно наработанные отходы

7 7


На службу человеку была поставлена сила сжатого пара, которую создал сам человек, тогда как сила ветра, воды и животных существовали в природе сами по себе Человек стал менее зависим от капризов природы, появились новые производства и стимулы к знаниям – машинист паровой машины – это не погонщик волов Промышленная революция произошла около 300 лет назад, когда химическая энергия, запасённая в течение миллионов лет в ископаемом топливе за счёт реакции фотосинтеза, стала совершать полезную работу

8 8


Примерно с 1860 года уголь и нефть стали быстро изменять облик индустриального мира, а чуть позже появились двигатели внутреннего сгорания Но ещё более важным событием стал технологический прорыв в преобразовании химической и механической энергии в электрическую энергию и её передаче на большие расстояния

9 9


В следующие 50 лет производство энергоресурсов увеличилось до 7,3 млрд т н э при среднедушевом производстве 1,65 т н.э. (75 ГДж). Это был период доминирования моторов и нефти – её доля к 1975 году увеличилась до 47% • Самый мощный рывок человечество совершило в середине ХХ века. Главным технологическим прорывом этого периода стало использование не солнечного источника энергии – энергии деления ядра атома • Весь ХХ век человечество переживало эйфорию от крупных научных открытий: первый «самодвижущийся экипаж», первый самолет, первая АЭС • В прошлом веке человечество в 10 раз увеличило энергопотребление и в 1000 раз мощность оружия

С 1980 года появились признаки становления постиндустриального общества. Среднедушевое производство энергии в мире не изменилось. Доля нефти уменьшилась в пользу природного газа и нетрадиционных возобновляемых источников энергии

11 11


Нефть 33%

Газ 24%

АЭС 4%

ГЭС 7%

ВИЭ 2%

Уголь 30%

2012 год 7 058 млн чел. 12,5 млрд тнэ

Нефть 44%

Газ 21%

АЭС 3%

ГЭС 6%

ВЭС 1%

Уголь 25%


Уголь 71%

Дрова 21%

Нефть 2%

Газ 3%

ГЭС 3%


Дрова 91%

Уголь 9%


% Доля электроэнергии в потреблении первичных ресурсов

Эпоха углеводородов

Источник: BP Statistical Review of World Energy 2013

0,5%

29%

42%

12 12

АНТРОПОГЕННАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Конечным назначением антропогенной энергии является осуществление производственных процессов и поддержание жизнедеятельности людей На пути к финальной энергии первичные энергоресурсы проходят стадии преобразований, сопровождающихся неизбежными потерями В целом по миру используемая финальная энергия составляет не более 39% от первичной энергии. Это меньше коэффициента использования энергии костра первобытным человеком. Этот парадокс объясняется ростом качества используемой человеком энергии, получение которой сопровождается большими потерями энергии

13 13


Существует связь между уровнем экономического развития стран и их энерговооруженностью Высших показателей по удельному ВВП добились страны «золотого миллиарда», создавшие у себя современную энергетику Сейчас около 2 млрд человек на Земле не имеют доступа к электроэнергии и 3 млрд испытывают её недостаток

Устранение подобного неравенства должно стать задачей будущего

14

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Современный ежегодный расход природных энергоресурсов составляет 5 десятитысячных от ресурсов органического топлива (нефти, газа и угля, вместе взятых) или 3 десятитысячных от ресурсов урана Однако эти исчерпаемые энергоресурсы в сумме не составляют и 1/5 части годового потока солнечной энергии на Землю Солнечный поток порождает энергию ветра, гидроэнергию и энергию фотосинтеза. Помимо этого еще есть огромная геотермальная энергия Земли, крупномасштабное освоение которой только начинается

15 15

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

Энергетические ресурсы распределены по территории земного шара неравномерно, поэтому одни страны обеспечены ими «с избытком», другие должны их импортировать, что зачастую приводит к экономической и политической нестабильности

Это заставляет прибегать к перевозкам топлива и передаче энергии на большие расстояния

Энергетические ресурсы — это все доступные для промышленного и бытового использования источники разнообразных видов энергии

невозобновляемые возобновляемые ядерные

Классификация по углеродному фактору

гид

ра

вл

ич

еск

ая

угольные нефть газ

сол

неч

на

я

вет

ро

ва

я

яд

ерн

ая

гео

тер

ми

чес

ка

я

мо

рск

ая

низкоуглеродные среднеуглеродные

углеводо-родные биомасса

сланцевые

высокоуглеродные

твердотопливные

16

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

17

ТРАДИЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

Характерной чертой традиционной электроэнергетики является её давняя и хорошая освоенность, она прошла длительную проверку в разнообразных условиях эксплуатации Основную долю электроэнергии во всём мире получают именно на традиционных электростанциях, их единичная электрическая мощность часто превышает 1000 МВт

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА

ГИДРОЭНЕРГЕТИКА

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

18 18

ТЭС – ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

На ТЭС процессы выработки электроэнергии обладают рядом общих черт. Работа тепловых электрических станций происходит в соответствии с первым и вторым началами термодинамики. Энергия, выделяющаяся при сжигании топлива, идет на разогрев «рабочей жидкости», которая приводит в движение присоединенную к электрогенератору турбину

КОТЕЛ

19 19

ГЭС – ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

ГЭС преобладает в ряде стран — в Норвегии и Бразилии вся выработка электроэнергии происходит на них. Список стран, в которых доля выработки ГЭС превышает 70 %, включает несколько десятков

20 20

АЭС – АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

По доле АЭС в выработке электроэнергии первенствует Франция, около 70 %. Преобладает она также в Бельгии, Республике Корея и некоторых других странах. Мировыми лидерами по производству электроэнергии на АЭС являются США, Франция и Япония

21 21

ИСКОПАЕМОЕ ТОПЛИВО

* 1 баррель равен 159 литрам

К ископаемому топливу относятся уголь и горючие сланцы, нефть, природный газ и битуминозные пески В настоящее время во всем мире ежедневно потребляется >80 млн баррелей* нефти Многие используемые человеком природные источники энергии представляют собой прямую или преобразованную энергию солнечного излучения. Это либо химическая энергия, запасенная углем, нефтью, природным газом, торфом, растущей сегодня растительностью, либо кинетическая энергия потоков воды и воздуха, разность температур в толще воды океанов и др.

22 22

ТЕПЛОТВОРНАЯ СПОСОБНОСТЬ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА

Топливо МДж/кг т у.т.

Торф

8,1

0,28

Дрова 10,2 0,35

Бурый уголь 15,7 0,54

Каменный уголь 22 0,75

Природный газ 35,6 МДж/м3 1,21 т у,т./1000 м3

Мазут 39,2 1,33

Бензин 44 1,50

23 Углеродные следы технологий производства электроэнергии

(данные по Великобритании и ЕС за 2004-2006 гг.)

PV-солнечная фотоэлектрическая технология, устройства для преобразования солнечной энергии в электроэнергию

ПОКАЗАТЕЛИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

24 24

ЕЖЕМЕСЯЧНЫЕ КИУМ ДЛЯ ВЫБРАННЫХ ТИПОВ ТОПЛИВА И ТЕХНОЛОГИЙ

КИУМ – это коэффициенты использования установленной мощности

АЭС ОТЛИЧАЮТСЯ НАИВЫСШИМ КИУМ* СРЕДИ ДРУГИХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГОГЕНЕРАЦИИ

*По данным WORLD NUCLEAR ASSOCIATION на 1 января 2017 года

25 25

ДОЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ В РАЗВИТЫХ СТРАНАХ

Страна ТЭС

(традиционные) ГЭС АЭС

ГеоТЭС,

СЭС, ВЭС

Всего

нетрадиционные

Франция 8,4 14,1 76,8 0,7

91,6

Канада 28,1 57,8 12,8 1,3 71,9

Япония 58,9 8,5 31,0 1,6 41,1

Германия 62,5 3,7 29,7 4,1 37,5

США 71,6 5,6 20,6 2,2 28,4

Великобритания 73,6 1,1 23,7 1,6 26,4

Италия 78,7 18,0 0,0 3,4 21,3

Доля электроэнергии, произведенной в развитых странах в 2016 году за счёт различных источников

26 26

МИРОВОЙ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС

Человечество производит в год около 1,4∙1014 кВт∙ч (1,2∙1017 ккал, 5∙1017 кДж, 12 млрд т н.э.) энергии. При численности населения планеты 7 млрд в среднем на человека приходится 2∙106 кВт∙ч (17 млн ккал) энергии в год Эта энергия распределяется между жителями планеты неравномерно. Например, в городе потребление энергии на человека в год достигает 80 млн ккал. Каждому человеку для физиологического функционирования организма требуется в год всего около 1 млн ккал энергии, получаемой через пищу В мире на 1 долл. мирового ВВП вырабатывается примерно 0,45 кВт∙ч электроэнергии. Это значит, что один доллар можно конвертировать в единицу энергии

27 27

МИРОВОЙ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС

Примечания к таблице: *Рассчитывается на основе средних ежедневных котировок маркеров «Brent», «Dubai Crude» и «WTI» (в равных долях)

Мировой энергетический баланс (потребление минус производство по формальным показателям за год) и среднегодовая цена нефти ASPS* в 2003 – 2015 гг.

28 28

ЭНЕРГЕТИКА И ГЛОБАЛЬНЫЙ КЛИМАТ

Россия является лидером мировой энергетики. При этом необходимо обеспечивать не только безопасность функционирования всех объектов энергетики, но и минимизировать их негативное воздействие на окружающую среду

ТЭЦ на угле мощностью 1000 МВт выделяет больше радиоактивности, чем АЭС мощностью 1000 МВт

Неблагоприятное воздействие на окружающую среду от сжигания угля: • Изменением рельефа и ландшафта • Загрязнением водных ресурсов • Выделением метана из шахт в атмосферу • Проседанием грунта над рудниками • Утечкой кислой воды из шахт

• Долгосрочным занятием значительных

площадей земель • Пылением тонкодисперсной золой • Загрязнением тяжелыми, радиоактивными

металлами атмосферы, почв и водоемов

• Выбросами вредных веществ: парниковые газы, токсичные оксиды азота и серы, полициклические углеводороды, в том числе бензапирен, твердые частицы

По мнению 49 ученых, лауреатов Нобелевской премии, последствия усиления парникового эффекта на планете могут быть сравнимы лишь с последствиями ядерной войны

29

УГОЛЬ

Неблагоприятное воздействие сжигания продуктов, получаемых из нефти, на окружающую среду: • Образование побочных продуктов в результате сжигания нефтепродуктов:

углекислый газ (CO2), угарный газ (CO), диоксид серы (SO2), оксиды азота (NOX) и летучие органические вещества, твердые частицы, свинец и различные токсичные вещества, загрязняющие воздух (бензин, формальдегид, ацетальдегид, 1,3-бутадиен)

Запасов нефти при существующем уровне добычи хватит на 50 лет (на 60-100 лет – с учетом ввода в эксплуатацию новых месторождений)

• Химическое загрязнение грунтовых вод при добыче, химическое и тепловое загрязнение вод поверхности, образование нефтяной пленки (ежегодное загрязнение суши и акватории – 15 млн т)

• Нарушение ареалов обитания фауны и произрастания флоры • Загрязнение и деградация почвенного покрова • Значительный водозабор • Возможность существенного загрязнения окружающей среды

30

Авария на нефтедобывающей

платформе

НЕФТЬ

Неблагоприятное воздействие на окружающую среду: • Ухудшение состояния земельных ресурсов, эрозия почв, оползни и снижение плодородности • Выбросы метана и токсичного сероводорода, соединений ртути в атмосферу • Выброс углекислого и угарного газа, оксидов азота, диоксида серы при сжигании газа на месте

(чтобы не допустить попадание метана и сероводорода в атмосферу) • Нарушение грунтовых и поверхностных вод (в том числе питьевых) – изменение их количества и

качества • Необходимость утилизации отработанной воды и жидкости ГРП (компания Schlumberger

рекомендует утилизировать отработанную в процессе ГРП жидкость как опасные отходы) • Риск утечки жидкости ГРП, которая может содержать потенциально опасные химические вещества

(рассолы, тяжелые металлы, радионуклиды и органические соединения) • Микроземлетрясения в результате как самого процесса ГРП, так и обратной закачки отработанной

воды

Источник: Impact Assessment of Natural Gas Production in the New York City Water Supply Watershed, 2009 Material Safety Data Sheets

31

СЛАНЦЕВЫЙ ГАЗ

Неблагоприятное воздействие на окружающую среду: • Затопление сельскохозяйственных угодий и населенных пунктов • Нарушение водного баланса выше и ниже по течению • Воздействие на флору и фауну • Климатические последствия (изменение теплового баланса,

увеличение количества осадков, скорости ветра, облачности и т.д.)

• Заиливание водоема выше по течению и эрозия берегов ниже по течению

• Ухудшение самоочищения проточных вод и уменьшение содержания кислорода

• Затруднение свободного движения рыб • Выделение значительных объемов метана и СО2

Выброс парниковых газов ГЭС может превышать выбросы традиционной ТЭС на мазуте, если площадь резервуара значительна относительно мощности ГЭС (менее 100 Вт на 1 м2

поверхности) и вырубка лесов на затапливаемой территории не проводилась

Источник: EIA Technology Roadmap: Hydropower 2012 (Energy Information Administration), World Commission on Dams 32

ГИДРОЭНЕРГИЯ

Неблагоприятное воздействие на окружающую среду: • Отчуждение больших земельных площадей, их возможная

деградация (для СЭС в средней полосе европейской части мощностью 1 ГВт и КПД 10% необходима минимальная площадь в 67 км2 + земли под различные промышленные предприятия, изготавливающие материалы для строительства и эксплуатации СЭС)

• Затемнение больших территорий солнечными концентраторами

• Изменение теплового баланса, влажности, направления ветра в районе расположения станции

33

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

• Опасность загрязнения окружающей среды токсичными веществами – серной кислотой, свинцом и кадмием, которые применяются при производстве солнечных панелей

• Возможные утечки рабочих жидкостей, содержащих хлораты и нитриты

• Загрязнение продукции токсичными веществами при использовании солнечных систем в сельском хозяйстве

• Перегрев и возгорание систем • Воздействии на климат космических СЭС • Передача энергии космических СЭС на Землю в виде

микроволнового излучения, опасного для живых организмов и человека

34

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

Неблагоприятное воздействие на окружающую среду: • Отчуждение больших земельных площадей (для

обеспечения Франции электроэнергией за счет энергии ветра необходимо 20 тыс. км2 земли – 4% территории страны)

• Помехи для воздушного сообщения и для радио- и телевещания

В 2100 г. в районах установки наземных ВЭС произойдет потепление на 1С, если мощность ветроэнергетики достигнет уровня в 10% мирового спроса на энергию. При охлаждающем эффекте оффшорных ВЭС суммарный эффект от развития ветроэнергетики выльется в потепление на 0,15С

35

ВЕТРОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА

АЭС не потребляют кислорода, не выбрасывают в атмосферу и водоемы вредные

химические вещества, они существенно экономят расходование органического топлива, запасы которого достаточно ограничены

Неодинаковый подход к оценке повседневных и чрезвычайных

рисков

Человек подсознательно нивелирует часто встречающиеся

опасности, акцентируя внимание на рисках,

связанных со сравнительно редкими

событиями

Искусственно завышается

опасность атомной энергетики, тогда как риски,

связанные с химическим загрязнением воздуха или с автомобильным движением

считаются допустимыми

Непредвзятый анализ любой технологии выявляет и плюсы, и минусы. Вопрос состоит только в том, готовы ли мы, пользуясь преимуществами того или иного подхода, смириться с его негативными последствиями? Это проблема приемлемости риска, и она должна рассматриваться с точки зрения реальных показателей, моделей, результатов экспериментов. Нельзя забывать, что отказ от технологии в современном мире также несет определенные риски, которые могут оказаться более значительными, нежели связанные с потенциально опасной технологией

36


Проблема ОЯТ и РАО

• Основной принцип обращения с РАО – «концентрирование и изоляция»

• Однако простое концентрирование не является достаточным; РАО необходимо кондиционировать, т.е. перевести в химически стойкое, экологически безопасное состояние. Поэтому все жидкие отходы переводят в твердую форму (например, в цементные блоки). Твердые РАО, обладающие достаточной химической стойкостью и механической прочностью, загружают в специальные защитные контейнеры, а контейнеры отправляют в особые хранилища или на объекты окончательной изоляции

• Экологическая безопасность при захоронении радиоактивных отходов обеспечивается соблюдением принципа многобарьерной защиты.

В противоположность радиоактивным отходам АЭС отходы угольных станций (то есть зола) сбрасываются на площадку под открытым небом. Золоотвалы – непременные спутники угольных ТЭЦ – не совсем безобидны с экологической точки зрения

37


По оценке Комиссии Европейского сообщества и Министерства энергетики США, ущерб здоровью населения наименьший при ветровой и ядерной энергетиках

38

УЩЕРБ ЗДОРОВЬЮ НАСЕЛЕНИЯ

39 39


Тепловое загрязнение окружающей среды связано с промышленными выбросами теплой воды и газов Основными способами снижения теплового загрязнения ОС являются уменьшение энергопотребления: 1. улучшение конструкции преобразователей энергии 2. увеличение эффективности использования солнечной энергии

Шумовое загрязнение относится к категории основных видов вредных воздействий на ОС и на человека В глобальном масштабе человечество отрицательно влияет на состояние и свойства атмосферы. По ряду газо-пылеобразных загрязнителей объем антропогенных выбросов приближается к объему природных выбросов (извержения вулканов, выход газов из разломов земной коры, выделение углеводородов из болот), а по некоторым видам их превышает 1. За всю историю человечества на сжигание добытой нефти, угля, газа и дров было израсходовано

275·109 т атмосферного кислорода, из которых 88% приходится на последние 50 лет 2. Ежегодно в мире на сжигание топлива затрачивается около 10 млрд т свободного кислорода

атмосферы

40 40


За последние 150 лет концентрация СО2 в воздухе повысилась на 25%

Согласно наблюдениям в течение ХХ века глобальная температура у поверхности Земли увеличилась на 0,6оС, а площадь снежного покрова уменьшилась на 10%

41 41


3/4 общемировых выбросов парниковых газов* составляют выбросы в

энергетическом секторе, внутри которого наибольшее увеличение объемов

выбросов приходится на электроэнергетику

*По данным IAEA: МЕЖДУНАРОДНОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ - 2017

42 42

ЗАДАЧИ СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

1. Совершенствовать производство энергии из первичных источников с учетом всей цепочки преобразования энергии, включая её «экологическую стоимость»

2. Совершенствовать потребление энергии, получая желаемый результат при её минимальных затратах

43 43

ЗАДАЧИ СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Фактически человек должен перейти к новой цивилизации – цивилизации возобновляемых источников энергии и низкоуглеродной энергетике Необходимо заняться поиском новых источников энергии, которые смогут заменить в топливно-энергетическом балансе тепловые станции, работающие на ископаемом органическом топливе

44 44

По сценарию ООН в 2100 году в структуре используемых энергоносителей на уголь, нефть и газ будет приходиться около половины. Основными источниками энергии станут Солнце и биомасса Всем странам, особенно развивающимся, нужна единая программа практических мер по переходу на такую траекторию развития, которая исключит высокую энергозатратность экономики

45

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!

45

ЭНЕРГИЯ И...

Documents

Transcript of ЭНЕРГИЯ И...