9 перспективы развития энергетики
advertisement
9 ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ 9.1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ Энергетика, развивавшаяся до 1970-х годов относительно равномерно и без видимых сложностей, в настоящее время столкнулась с массой трудностей, преодоление которых проблемно, а в некоторых случаях вообще невозможно. Возросшее население мира потребляет все больше энергии, и уже приходится учитывать ограниченность первичных энергоресурсов и, как показано в главе 8, вредное воздействие нынешних способов получения и потребления энергии на окружающую среду и климат планеты. По прогнозу Министерства энергетики (Department of Energy, DOE) США, составленному в 2005 году, ожидаемый рост потребления энергии до 2025 года составляет в развитых странах рыночной экономики 1,1 %/a, в странах переходной экономики (к которым отнесена и Эстония) 1,6 %/a, в странах с более низким уровнем экономики 3,2 %/a, в мире в целом 2,0 %/a. Согласно этому прогнозу, по сравнению с 2002 годом, потребление коммерческих видов энергии в 2025 году увеличится на 57 %. При этом прогнозируют, что потребление энергии, благодаря развитию техники, становится более эффективным, вследствие чего стоимость валового внутреннего продукта будет расти быстрее, чем энергопотребление, а именно в развитых странах рыночной экономики на 2,5 %/a, в странах переходной экономики на 4,4 %/a, в странах с более низким уровнем экономики на 5,1 %/a, в мире в целом на 3,9 %/a. Рост энергопотребления приведет к дальнейшему увеличению воздействия энергетических и промышленных сооружений, а также транспортных средств на окружающую среду. До сих пор удавалось остановить развитие лишь одного вредного явления – истощения озонового слоя Земли (см. раздел 8.3). Однако усиление парникового эффекта, ставшего причиной глобального потепления климата, в ближайшие годы, очевидно, остановить не удастся. Тем не менее все же принимаются меры, чтобы замедлить потепление климата путем сокращения энергопотребления, путем замены углеродных видов топлива углеродно-водородными или (как идеальное решение) водородом, заменой ископаемых видов топлива возобновляемыми, заменой сжигаемых видов топлива ядерной энергией, строительством гидравлических, ветряных, геотермальных и солнечных электростанций вместо топливосжигающих и атомных электростанций, широким использованием солнечного излучения для отопления зданий и снабжения теплой водой, применением тепловых насосов в отопительных системах зданий. Энергопотребление можно уменьшить снижением энергоемкости производственных процессов, повышением кпд преобразователей энергии, 403 снижением потерь энергии, комбинацией установок преобразования энергии между собой в целях более полного использования первичной энергии, более экономным использованием энергии и снижением потерь энергии в устройствах энергопотребления. Загрязнение окружающей среды стараются ограничить отказом от использования ядовитых и других веществ, вредных для окружающей среды, лучшей очисткой газообразных выбросов и сточных вод, более широким повторным использованием металлов и других материалов, сжиганием непригодных для повторного использования горючих отходов. Принятие большинства из вышеназванных мер предписывается законодательными актами государств и международными конвенциями. Так как несмотря на принятые до настоящего времени усилия, опасность для окружающей среды от энергоустановок увеличилась, то можно ожидать более строгих требований по защите окружающей среды как в национальном законодательстве, так и в новых международных конвенциях. Общая стратегия развития энергетики Европейского Союза сформулирована в Зеленой книге, составленной Европейской комиссией в 2006 году [9.1]. Предусматриваются шесть наиболее важных направлений развития: завершение развития европейского свободного рынка электричества и газа, обеспечение надежности энергоснабжения путем взаимной солидарности государств – членов Европейского Союза, достижение надежной, длительной, эффективной и более многосторонней комбинации энергоносителей, внедрение эффективных мер по защите климата, чтобы максимум выброса парниковых газов остался на уровне 2005 года, а в перспективе выбросы парниковых газов уменьшились бы, по сравнению с 1990 годом, на 15 % или даже на 50 %, внедрение инновационных энерготехнических решений, принятие единой энергополитики, обеспечивающей, в частности, энергобезопасность Европейского Союза. 404 9.2 ТОПЛИВНЫЙ КРИЗИС Как показано в разделе 2.2, запасы ископаемого топлива Земли являются конечными, и их исчерпание, в зависимости от вида, ожидается в ближайшем или несколько отдаленном будущем. По континентам, регионам и странам эти запасы распределены весьма неравномерно, что дает возможность некоторым богатым топливными ресурсами государствам или группам государств диктовать в своих интересах цены на топливо, создавая в мире или в отдельных регионах кризисные условия топливоснабжения. Наиболее острая кризисная ситуация, имевшая далеко идущие последствия, возникла в государствах Европы и Америки 17 октября 1973 года, когда Организация стран – экспортеров нефти (Organization of Petroleum Exporting Countries, OPEC), основанная в 1960 году, куда входят Алжир, Венесуэла, Габон, Индонезия, Ирак, Иран, Катар, Кувейт, Ливия, Нигерия, Объединенные Арабские Эмираты, Саудовская Аравия и Экуадор, на своей чрезвычайной конференции, созванной в связи с вспыхнувшей Арабо-Израильской войной, сообщила об уменьшении добычи нефти на 5 % в месяц. Вслед за этим, 28 октября 1973 года, та же организация повысила стоимость нефти в четыре раза, прекратив экспорт нефти в США и Нидерланды. Возник всемирный топливный кризис, продолжающийся в несколько измененном виде до настоящего времени. Кризис усуглубляется еще и тем, что нефтяные ресурсы мира могут быть исчерпаны, по прогнозам, еще до конца 21-го века (см. табл. 2.3.3). Цена нефти на мировом рынке существенно зависит от соотношения спроса и предложения; на цену могут влиять картельные договоренности по объему добычи нефти странами – экспортерами нефти. На рис. 9.2.1 весьма упрощенно представлено изменение цены на нефть с 1970 года до середины 2008 года, которое ясно показывает влияние на этот процесс не только конъюнктурных, но и геополитических факторов [1.21]. Цена представлена, как это принято на нефтяных рынках, в долларах США за баррель (brl); для перехода на метрические единицы следует учесть, что 1 brl = 158,987 dm3. Одновременно с нефтью на мировом рынке постоянно повышается и стоимость природного газа. Следует отметить, что себестоимость нефти в местах добычи обычно намного ниже и в наиболее богатых месторождениях может составлять приблизительно 1 доллар за баррель. 405 140 $/brl 120 100 80 Ощутимое повышение спроса Увеличение добычи нефти 60 Война в Кувейте Переворот в Иране 40 Война на Ближнем 20 Востоке 0 1970 Война в Ираке Снижение спроса 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Рис. 9.2.1. Изменение мировых цен на нефть с 1970 по 2008 годы (значительно упрощенно) Повышение стоимости и предстоящий дефицит нефтепродуктов заставили многие страны принимать меры по замене нефтепродуктов альтернативными видами топлива в течение ближайших 10…20 лет. Первый государственный план по полному отказу от нефтепродуктов, а также от других углеродосодержащих видов топлива составила в 2003 году Исландия. По этому плану предусматривается, в частности, замена двигателей внутреннего сгорания транспортных средств электродвигателями (питаемыми от аккумуляторов или батарей топливных элементов), или перевод их на сжигание водорода. В 2005 году план прекращения потребления нефтепродуктов, природного газа и других видов ископаемого топлива был принят также Швецией. В США в 2006 году был введен в действие закон, по которому к 2015 году следует уменьшить импорт нефти из арабских стран на 75 %. В Эстонии вместо нефтепродуктов может начаться более широкое использование сланцевого масла (в качестве котельного топлива), а также производство бензина из горючего сланца и биодизеля из рапсового масла. Учитывая предстоящий дефицит и значительное удорожание моторного топлива, прогнозируется также, что в 2010 году все крупные автомобилестроительные концерны мира могут начать серийный выпуск электромобилей. Несколько дольше, чем нефть, в мире могут использоваться ресурсы природного газа (табл. 2.3.4), а еще дольше – каменного угля (табл. 2.3.1). Соответственно можно прогнозировать более быстрый рост добычи этих видов топлива. 406 9.3 НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ГИДРО- И ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ На гидравлических и ветряных электростанциях не возникает двуокиси углерода или других веществ, опасных для окружающей среды. Поэтому повышение их доли в выработке электроэнергии рассматривается как одна из мер замедления глобального потепления. При развитии гидроэнергетики необходимо, однако, учитывать, что одновременно с ГЭС приходится сооружать водохранилище, под которым могут остаться сельскохозяйственные угодия, леса, населенные пункты (иногда даже довольно крупные города) и памятники культуры (см. раздел 6.4). Поэтому стараются сооружать ГЭС в малонаселенных регионах и, в первую очередь, на реках с узким и глубоким руслом и большим падением. Почти все такие реки в мире для гидроэнергетического строительства уже освоены, но мощные ГЭС могут еще сооружаться, например, на среднем и верхнем течении реки Янцзы в Западном Китае общей мощностью приблизительно 60 GW, на реке Ялонг-Чиянг (Yalong Jiang) в Западном Китае общей мощностью приблизительно 30 GW, на реке Конго в Африке общей мощностью приблизительно 40 GW, на среднем и верхнем течении реки Енисей в России общей мощностью приблизительно 18 GW. Освоение этих рек предусматривается в 2010…2030 годах или позже. На многих реках, особенно в Южной Америке и Центральной Азии, могут сооружаться и менее крупные ГЭС (мощностью от 1 GW до 3 GW), строительство которых в разных странах уже идет или планируется начать в ближайшие десятилетия. Другой возможностью увеличения выработки электроэнергии на ГЭС является расширение существующих ГЭС путем установки дополнительных агрегатов. Так, в 2007 году на ГЭС Итайпу (Itaipú) на реке Парана (Paraná) на границе Бразилии и Парагвая были включены в сеть два дополнительных агрегата по 700 MW (см. рис. 6.1.4). Таким же способом могут быть расширены, в частности, и мощные ГЭС Гранд-Кули (Grand Coulee) на реке Колумбия (Columbia) в США, ГЭС Черчилл-Фоллс (Churchill Falls) на реке Черчилл (Churchill) в Канаде и Усть-Илимская ГЭС на Ангаре. Мощность ГЭС возможно увеличивать и при обновлении агрегатов – путем рационального изменения конструкции турбины, замены обмотки генератора и. т. п.; в таких случаях мощность агрегата обычно увеличивается на 5…15 %. В Латвии, на реке Даугава (Daugava) начато обновление гидроагрегатов ГЭС Плавиняс (Pļaviņas); предполагается увеличить мощность агрегатов с 85 MW до 90 MW. Кроме крупных ГЭС идет довольно интенсивное строительство и ГЭС средней мощности (от 100 MW до 1000 MW), малых ГЭС (от 5 MW до 100 MW), миниГЭС (от 0,5 MW до 5 MW) и микро-ГЭС (менее 0,5 MW). На реках Эстонии по этой классификации могут сооружаться микро- и мини-ГЭС, которые, однако, возможно полностью автоматизировать; на них себестоимость электроэнергии значительно ниже, чем на крупных сланцевых электростанциях. Малые водохранилища таких ГЭС обычно не вызывают существенных проблем защиты окружающей среды и даже могут обогатить ландшафты. 407 В 2010…2015 годах во многих странах мира ожидается более интенсивное сооружение приливных и волновых ГЭС. На ГЭС, находящихся далеко от центров потребления электроэнергии, в будущем может начаться использование вырабатываемой электроэнергии для производства водорода, так как передача водорода по трубопроводам может оказаться более выгодной, чем передача электроэнергии по мощным линиям электропередачи переменного или постоянного тока (см. разделы 4.2 ja 9.6). Ветроэнергетика за последние 10 лет развивалась намного быстрее, чем другие отрасли энергетики, что объясняется снижением стоимости ветроагрегатов, увеличением их единичной мощности, повышением надежности и, что особенно важно, возможностью сооружать крупные ВЭС за относительно короткое время (например, за 1…2 года). За 2007 год суммарная мощность ВЭС, по данным Всемирного совета ветроэнергии (Global Wind Energy Council, GWEC), увеличилась на 20 GW, или на 27 % и в начале 2008 года составляла более 94 GW, что позволяет вырабатывать более 1 % всей электроэнергии мира [6.5]. Наибольшим был рост мощности ВЭС в США (5244 MW), за которыми следовали Испания (3522 MW) и Китай (3499 MW). По мощности ВЭС (см. рис. 6.5.7) на первом месте в мире стоит Германия (22 247 MW). В наиболее благоприятных для ветряной энергетики условиях находятся государства, владеющие морскими берегами и зонами морского мелководья, целесообразными для сооружения мощных ВЭС. Наиболее мощные ВЭС (от 500 MW до 1500 MW) и запланированы в открытом море вблизи берегов. На таких ВЭС предполагается использовать ветроагрегаты мощностью от 3 MW до 10 MW. Прогнозируется, что к 2010 году суммарная мощность ВЭС в мире может дойти до 160 GW. Большинство европейских государств, обладающих территориями или акваториями, подходящими для ветроэнергетического строительства, планирует довести долю ВЭС в выработке электроэнергии приблизительно до 20 %. Рост мощности ВЭС, изменчивость ветра по времени и особенности автоматического управления ВЭС могут усложнить работу энергосистем и особенно их управление в экстремальных условиях нагрузки. Например, 4 ноября 2006 года комплекс энергосистем, входящих в европейский Союз координации передачи электричества (UCTE, см. раздел 6.9), из-за непредвиденного включения и отключения большого количества ВЭС после планового отключения одного из магистральных линий электропередачи напряжением 380 V, распался на три отдельные части; на 20 min осталось без питания около 15 миллионов домов [9.2]. Чтобы уменьшить отрицательное воздействие ВЭС на энергосистемы, следовало бы снабжать их энергоаккумуляторами. К сожалению, подходящие для этой цели электрические и механические аккумуляторы настолько дороги, что их использование экономически нецелесообразно. Другим вариантом аккумулирования энергии могло бы стать производство водорода путем электролиза, но и эта возможность пока еще относительно дорога. Наиболее простым считается использование существующих гидроаккумулирующих электростанций (см. раздел 5.3) или сооружение новых ГАЭС, если это позволяют геологические условия местоположения ВЭС. С приемлемыми затратами в некоторых регионах могут сооружаться и подземные аккумуляторы сжатого воздуха. 408 Так как колебания мощности ВЭС, распределенных по большой территории, не происходят одновременно, то они могут взаимно компенсироваться. Если, например, создать систему, состоящую из одних только ВЭС, то суммарная мощность такой системы могла бы стать достаточно равномерной во времени, и соединение такой системы с энергосистемами, состоящими из тепловых и гидроэлектростанций, могло бы происходить без существенных проблем. В 2005 году ирландская фирма ветроэнергетики Эртрисити (Airtricity) и международный концерн АББ (ABB), производящий энергетическое оборудование, выдвинули идею объединить крупные планируемые морские ВЭС Великобритании, Германии и Нидерландов в систему Супергрид (Supergrid) мощностью более 10 GW, используя в ней линии электропередачи как переменного, так и постоянного тока [9.3]. В то же время были начаты соответствующие технические и экономические исследования. Предполагают, что система может быть реализована в 2010 году. Суммарная мощность ВЭС выравнивается и тогда, когда они соединены параллельно, на одном и том же напряжении, в существующую энергосистему. В этом случае пропускная способность линий электрической сети, учитывая большие колебания их нагрузки, должна быть достаточно велика, что весьма часто приводит к необходимости усиления этих линий. 9.4 НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ Развитие ядерной энергетики долгое время вызывало в обществе противоречивые реакции. С одной стороны, ясно, что выработка электроэнергии на атомных электростанциях не сопровождается выбросами двуокиси углерода и других вредных для окружающей среды веществ и что перевозки ядерного топлива из-за его относительно малого количества не загружают сколько-нибудь существенно железнодорожных транспортных систем, с другой стороны, опасаются возможных неисправностей АЭС, которые могут привести к опасности радиоактивного заражения окружающей среды, недостаточной надежности хранилищ радиоактивных отходов, возникающих в ядерных реакторах, риска, что энергетические ядерные реакторы могут быть использованы для производства плутония, пригодного для изготовления ядерного оружия, возможности, что на заводах обогащения урана, кроме урана с относительно низкой степенью обогащения (с содержанием изотопа 235U от 2 % до 5 %), необходимого для ядерных реакторов, могут производить высокообогащенный оружейный уран (с содержанием изотопа 235U до 95 %), который может оказаться в руках авантюристически настроенных военных диктатур или террористических группировок, утечки радиоактивных веществ при их транспортировке, больших расходов, требующихся для демонтажа выведенных из эксплуатации ядерных реакторов. Стоимость АЭС на единицу номинальной мощности намного больше, чем топливосжигающих электростанций, но себестоимость электроэнергии обоих типов электростанций приблизительно одинакова. Однако в 1970-ых и 1980-ых годах к конструкции АЭС стали предъявлять повышенные требования 409 безопасности, что привело к увеличению их стоимости. В это же время каменный уголь и другие виды ископаемого твердого топлива, благодаря более совершенной технологии их добычи, стали несколько дешевле, и соответственно несколько снизилась и себестоимость электроэнергии топливосжигающих электростанций. По чисто экономическим соображениям дальнейшее строительство АЭС во многих странах (например, в США с 1976 года) прекратилось. Кроме того, под давлением общественных движений в некоторых странах (например, в Швеции и Германии) были приняты решения отказаться от развития ядерной энергетики и постепенно вывести из эксплуатации существующие АЭС. В 2006 году выяснилось, что наиболее реальной возможностью для уменьшения глобальных выбросов двуокиси углерода в атмосферу при выработке электроэнергии является сооружение АЭС вместо топливосжигающих электростанций. Кроме того стали принимать во внимание, что зависимость от импорта топлива для электростанций может стать политически-экономическим фактором риска для энергобезопасности страны. Так, в 2008 году появились сообщения, что к 2030 году в США могут быть построены 45, а в России 42 новых ядерных реакторов. В Китае приблизительно к этому сроку будут построены 32 реактора электрической мощностью по 1000 MW. Разработаны и устанавливаются сверхнадежные водо-водяные и кипящие реакторы нового поколения (см. раздел 3.8), обеспечивающие меньший расход урана и меньшую себестоимость электроэнергии. В 2001 году в США начаты исследования по разработке размножающих реакторов четвертого поколения, использующих природный уран; производство таких реакторов может начаться в 2020-ых годах [9.4]. Возобновление интереса к АЭС объясняется и тем, что мировых запасов урана хватит на более длительное время, чем запасов нефти и природного газа (см. раздел 2.5). Учитывая необходимость сооружения новых АЭС, заключены различные международные соглашения по развитию ядерной энергетики. В частности, в феврале 2006 года Министерство энергетики США приняло план всемирного партнерства в области ядерной энергетики (Global Nuclear Energy Partnership, GNEP), предусматривающий сооружение АЭС нового поколения в США, развитие и внедрение новых технических способов утилизации использованного ядерного топлива, надежную обработку и транспортировку, а также надежное хранение ядерного топлива в США, создание усовершенствованных реакторов для использования вторичного ядерного топлива, обеспечение доступа развивающихся стран к ядерному топливу, надежно исключая использование этого топлива для военных целей, разработку реакторов малой мощности для развивающихся стран, обеспечение ядерной безопасности и исключение нецелевого использования ядерных материалов при развитии ядерной энергетики. Важнейшей целью развития ядерной энергетики является создание термоядерного реактора. Такой реактор основывается на реакции слияния атомов водорода, при которой образуются атомы гелия, а часть массы атомных ядер превращается в энергию. Чтобы слияние (синтез) стало возможным, кинетическая энергия теплового движения ядер водорода должна быть достаточно велика для преодоления междуядерных сил отталкивания; для этого нужна температура приблизительно 108 K. Кроме того, плотность 410 водородной плазмы должна быть достаточной для возникновения реакции синтеза, и плазма при такой плотности должна удерживаться достаточно долго. То, что при реакции ядерного синтеза выделяется энергия, впервые предположил в 1920 году английский физик Фрэнсис Уильям Астон (Francis William Aston, 1877–1945). В том же году английский астроном Артур Стэнли Эддингтон (Arthur Stanley Eddington, 1882–1944) высказал гипотезу, что энергия Солнца основывается на превращении водорода в гелий. В 1926 году он вычислил, что температура в центральной части Солнца должна находиться в пределах от 15 MK до 20 MK и что, благодаря сверхсильному гравитационному полю, ядра водорода находятся настолько плотно друг к другу и сталкиваются между собой настолько часто, что возникает стабильная термоядерная реакция, при которой выделяется огромное количество энергии. В 1929 году американский астроном Генри Норрис Рассел (Henry Norris Russell, 1877–1957) доказал, что Солнце и состоит главным образом из водорода. В 1938 году американский физик Ханс Альбрехт Бете (Hans Albrecht Bethe, 1906–2005) и немецкий физик Карл Фридрих фон Вайцзекер (Carl Friedrich von Weizsäcker, 1912–2007) независимо друг от друга разработали теорию термоядерной реакции (цикла БетеВайцзекера), происходящей внутри Солнца и звезд, по которой четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия. В Солнце таким образом преобразуется 650 Mt водорода в секунду, причем, масса, превращаемая в энергию, составляет 4,6 Mt/s. В 1951 году английский физик Алан Альфред Уэр (Alan Alfred Ware) впервые пытался получить искусственную плазму, пригодную для термоядерной реакции, используя для удержания плазмы магнитное поле (магнитную бутылку); в том же году начались соответствующие исследования в США и СССР. Наиболее эффективной оказалась стабилизация плазмы при помощи магнитного поля в тороидальной камере, изобретенной руководящими физиками Лаборатории ядерной энергии СССР Игорем Таммом (1895–1971) и Андреем Сахаровым (1921–1989) (в токамаке, от слов тороидальная камера с магнитными катушками); результаты этих работ были рассекречены в 1956 году. До этого, в 1952 году, в США под руководством Эдварда Теллера (Edward Teller, 1908–2003) была создана водородная бомба, в которой высокотемпературная водородная плазма кратковременно удерживается при помощи ядерного взрыва урана. Из всех возможных вариантов реакции ядерного синтеза наиболее пригодным для практической реализации оказалось преобразование тяжелого и сверхтяжелого водорода (дейтерия и трития) в гелий по формуле D + T He + n , с освобождением энергии в 94 MWh/g. В природном водороде содержится 0,016 % дейтерия, и выделение этого изотопа, например, из морской воды, намного проще, чем обогащение природного урана изотопом урана 235U. Однако тритий является радиоактивным изотопом, время полураспада которого равно 12 лет. Поэтому в природе трития нет, и в термоядерном реакторе его получают при поглощении нейтрона атомом лития 6Li в результате реакции Li + n He + T , при которой освобождается энергия 95 MWh/g. В итоге возникает цепная реакция, принцип протекания которой графически изображен на рис. 9.4.1. 411 Тепло <10 Wh/g D 94 MWh/g He T T Li 95 MWh/g He Протон Нейтрон Электрон Рис. 9.4.1. Принцип термоядерной цепной реакции Для осуществления синтеза дейтерия и трития необходимы достаточно высокая температура (не менее 50 MK), достаточная плотность ионов, достаточное время удерживания плазмы. Последние два требования могут заменяться требованием: произведение плотности ионов n и времени удерживания плазмы E должно быть больше, чем некоторое минимальное значение, определяемое температурой. Наименьший нижний предел этого произведения (приблизительно 1020 s/m3) имеет место при температуре 300 MK. Произведение n E называется критерием Ловсона, так как это условие сформулировал в 1955 году и опубликовал в 1957 году инженер Института ядерных исследований в Гарвелле (Harwell, Великобритания) Джон Дэвид Ловсон (John David Lawson, 1923 г. рожд.). Область значений произведения n E и температуры Т, в которой стабильная термоядерная цепная реакция возможна, представлена на рис. 9.4.2. На опытных установках, построенных до настоящего времени, добиться такой стабильной реакции еще не удавалось. Ближе всех к желаемому результату подошли опыты на реакторах с тороидальным каналом (токамаках), которых во всем мире построено около 300. Основные данные некоторых наиболее совершенных из них представлены на том же рисунке. Впервые критерий Ловсона должен выполняться в международном опытном реакторе ИТЕР (ITER), который, по плану, вступит в строй в 2018 году и будет служить затем для проведения термоядерных исследований в течение 20 лет. 412 1022 s/m3 Стабильная термоядерная реакция n E 1021 10 19 10 ITER TFTR 20 Alcator C FT JET JET+ TFTR+ T4 18 10 T3 17 Опытные термоядерные реакторы типа токамак (+ с дополнительным нагревом) T 10 106 107 108 109 1010 K Рис. 9.4.2. Критерий стабильности дейтериевой-тритиевой термоядерной цепной реакции и данные некоторых существующих реакторов типа токамак. Alcator – токамак Массачусетсcкого технического института (Massachusetts Institute of Technology), JET – Joint European Torus в Кулхаме (Culham, Великобритания), T3 и T4 – токамаки России, TFTR – Toroidal Fusion Test Reactor в Принстоне (Princeton, США). ITER – строящийся международный опытный реактор Принцип устройства токамака представлен на рис. 9.4.3. Высокотемпературная плазма, образующаяся в тороидальным канале, представляет собой вторичную обмотку мощного трансформатора, состоящую только из одного витка. В ней индуцируется ток до нескольких мегаампер, обеспечивающий нагрев плазмы до желаемой температуры (в строящемся реакторе ИТЭР предусматривается получить ток до 15 MA). Плазменный шнур удерживается на оси канала при помощи сверхпроводящих магнитных катушек, создающих индукцию магнитного поля приблизительно до 5 Т. В плазму подают дейтерий и тритий, которые соединяются там в гелий. Нейтроны поглощаются во многослойной внутренней обкладке канала, состоящей из нескольких десятков или сотен модулей, в которых аккумулируется и из которых отводится возникающее тепло. Теплоносителем для отвода тепла может служить вода или гелий (рис. 9.4.4). Некоторые модули содержат жидкий литий и предусмотрены для получения трития. Первая стенка модуля, обращенная к плазме, должна быть из жаростойкого материала, не поглощающего нейтронов, например, из бериллия или ванадия, наносимого обычно тонким слоем на медную основу. Толщина этой основы, чтобы избегать перегрева или расплавления, обычно не превышает 3 mm. Сечение канала обычно имеет форму, похожую на букву D, и в его нижней части предусматриваются устройства для удаления отходов реакции (рис. 9.4.5). Запасы лития, необходимого для работы термоядерного реактора, на материках Земли в рудах, пригодных для обработки, составляют приблизительно 2,2 Mt (см. также раздел 2.1). Соли лития содержатся и в воде океанов, из которой их извлечение не вызывает существенных проблем. 413 Модули футеровки D+T Магнитная обмотка Трансформатор Тороидальная камера Плазма Рис. 9.4.3. Принцип устройства термоядерного реактора типа токамак (упрощенно) 1 D+T He 2 3 4 G Рис. 9.4.4. Одна из возможных принципиальных схем термоядерной электростанции. 1 реактор, 2 водяной или другой теплоноситель, 3 парогенератор, 4 паротурбогенераторный агрегат 414 1 2 3 Рис. 9.4.5. Сечение тороидального канала термоядерного реактора (упрощенно). 1 наружная оболочка, 2 модули внутренней обкладки, 3 устройство для удаления отходов реакции (дивертер) На существующих опытных реакторах достигались мощность до 30 MW и продолжительность реакции приблизительно до 30 s. Учитывая приобретенный опыт, в 1985 году Европейский Союз, США и Япония договорились построить опытный прототип промышленного токамака ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, ’Международный экспериментальный термоядерный реактор’). Позже к этой программе присоединились Россия, Китай и Корейская Республика, а в 2005 году было принято решение соорудить этот реактор, тепловая мощность (мощность ядерной реакции) которого составляет 500 MW, а продолжительность импульса (время удержания плазмы) – не менее 400 s, в Кадараше (Cadarache, Южная Франция). Диаметр тороида этого реактора равен приблизительно 10 m, а эффективный диаметр канала – приблизительно 3 m. Мощность, требуемая для предварительного подогрева плазмы, составляет 50 MW. Реактор обходится приблизительно в 10 миллиардов евро и должен вступить в строй в 2018 году. Уже начато и проектирование промышленного реактора Демо (Demo) тепловой мощностью в 2 GW и длительностью термоядерной реакции до 90 min, который может вступить в строй предположительно в 2035 году и впервые будет отдавать получаемую энергию в электрическую сеть. Главным преимуществом термоядерных реакторов перед другими реакторами следует считать предельно малое количество вещества, участвующего в ядерной реакции, а также то, что в результате реакции не возникают радиоактивные отходы. Отпадает и такой характерный для реакторов, основанных на расщеплении атомных ядер, фактор опасности, как возможность расплавления активной зоны. Все это существенно повышает надежность реактора и упрощает меры обеспечения безопасности. Предполагается, что себестоимость электроэнергии на промышленных термоядерных электростанциях будет находиться в пределах от 5 c/kWh до 10 c/kWh. Исследованы и другие методы ядерного синтеза, которые, однако, оказались менее эффективными и труднее реализуемыми. В 1975 году в США изучалась возможность выработки электроэнергии при помощи водородных бомб, взрывая их через определенные промежктки времени под землей на глубине порядка 2 km (проект Pacer). В образующуюся полость (диаметром от 200 m до 415 400 m) можно было бы качать воду, которая в горячей подземной среде превращалась бы в перегретый пар высокого давления. Такой пар мог бы, как на геотермальных электростанциях, по паропроводам прямо подаваться в паровые турбины. На каждый 1 GW мощности электростанции пришлось бы ежедневно взрывать одну термоядерную бомбу с тротиловым эквивалентом в 50 kt. Из-за опасности радиоактивного загрязнения почвы, а также по причине довольно существенного военно-политического риска этот проект был отклонен. 9.5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ Альтернативность означает наличие каких-либо других возможностей. В энергетике под нею обычно подразумевается замена сжигания ископаемого топлива какими-либо другими, менее вредными для окружающей среды, способами обеспечения человеческого общества энергией. Если исключить использование ядерной энергии (рассмотренное в предыдущем разделе), то альтернативными возможностями следует считать использование гидроэнергии (см. разделы 2.6, 6.4 и 9.3), использование ветряной энергии (см. разделы 2.7, 6.6 и 9.3), использование геотермальной энергии (см. разделы 2.8 и 6.5), использование энергии излучения Солнца (см. разделы 2.2 и 6.7), использование горючих промышленных отходов, бытового мусора, древесных и других растительных отходов, отопительной древесины и биогаза для выработки электроэнергии и тепла (см. раздел 2.4), применение тепловых насосов (см. раздел 3.14). Для получения электроэнергии и тепла исследуются и возможности использования разностей температуры океанской воды (см. раздел 2.8). Общим положительным свойством всех альтернативных энергоресурсов является то, что при их применении не повышается концентрация двуокиси углерода в атмосфере, благодаря чему вырабатываемая на их базе энергия часто называется зеленой. Увеличение их доли в энергоснабжении предусматривается не только программами развития энергетики различных стран, но и международными конвенциями и договоренностями. Для европейских стран имеет особое значение решение Европейского Парламента от 29 сентября 2005 года, по которому доля возобновляемых энергоресурсов в энергопотреблении Европейского Союза в 2010 году должна составлять 11,4 %, а в 2020 году – 20 % (в электропотреблении 33 %). На 2020 год при этом предусматривается следующее распределение относительной доли различных возобновляемых энергоресурсов: биомасса 13,0 % ветряная энергия 2,4 % гидроэнергия 2,1 % тепловое преобразование излучения Солнца 1,5 % геотермальная энергия 0,8 % электрическое преобразование излучения Солнца 0,2 % 416 Доля возобновляемых энергоресурсов в выработке электроэнергии в Европейском Союзе в 2010 году должна составлять 21 %. Цели, поставленные перед некоторыми европейскими странами на 2010 год, и фактически достигнутый уровень в 2003 году представлены на рис. 9.5.1. 0 Европейский Союз Исландия Норвегия Австрия Швеция Латвия Португалия Словения Финляндия Словакия Испания Дания Италия Франция Греция Ирландия Германия Великобритания Нидерланды Чехия Польша Литва Бельгия Кипр Люксембург Эстония Мальта 20 40 60 80 100 % 12,8 / 21,0 100 / 100 100 / 100 55,9 / 78,1 40,0 / 60,0 35,4 / 49,3 36,4 / 39,0 23,1 / 33,6 21,8 / 31,5 12,0 / 31,0 22,3 / 29,4 23,2 / 29,0 12,8 / 25,0 13,0 / 21,0 9,6 / 20,1 4,3 / 13,2 7,9 / 13,0 2,8 / 10,0 4,7 / 9,0 2,8 / 8,0 1,6 / 7,5 2,8 / 7,0 Достигнуто Цель на 1,8 / 6,0 к 2003 году 2010 год 0 / 6,0 2,3 / 5,7 0,5 / 5,1 0 / 5,0 Рис. 9.5.1. Доля возобновляемых энергоресурсов в выработке электроэнергии в Европе в 2003 году и поставленные цели на 2010 год По данным, приведенным на этом рисунке, можно сказать, что цели, поставленные на 2010 год, вполне выполнимы даже с учетом развития одних только ветряных и солнечных электростанций. Выработка электроэнергии в Эстонии в 2006 году составляла 9,73 TWh, в том числе на ветряных электростанциях 76 GWh, на гидроэлектростанциях – 14 GWh и на электростанциях, сжигающих возобновляемое топливо, – 38 GWh [7.5]. Доля возобновляемых энергоресурсов в выработке электроэнергии в 2006 году составляла, следовательно, немногим более 1,3 %. 417 Как в Европе, так и в Америке стали считать необходимым использовать возобновляемые энергоресурсы для уменьшения потребления различных нефтепродуктов, особенно моторного топлива. В качестве альтернативных видов моторного топлива в США и в некоторых других странах развивается производство этанола, применяемого вместо бензина, биодизеля, применяемого вместо дизельного топлива, получаемого из нефти. Развитие и современное состояние производства этанола и биодизеля подробно рассмотрены в разделе 2.4. Наиболее существенными проблемами в случае расширения производства этих видов моторного топлива должны считаться отвод больших площадей сельскохозяйственных угодий под культуры, служащие сырьем для производства этанола и биодизеля, часто за счет плошадей для выращивания зерна и другой традиционной растительной продукции сельского хозяйства, а также путем вырубки лесов; относительно большой (прямой и косвенный) расход энергии при производстве необходимых сельскохозяйственных работ, часто превышающий количество энергии, содержащейся в этих биологических видах моторного топлива; вред, наносимый естественным экологическим системам и биологическому разнообразию природы. По этим причинам переход на использование биотоплива взамен моторного топлива, получаемого из нефти, может обеспечить некоторую независимость от импорта нефтепродуктов и повысить энергобезопасность стран – импортеров нефти, но не может считаться эффективной мерой по защите окружающей среды или по уменьшению выбросов парниковых газов. 418 9.6 ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА Под водородной энергетикой понимается аккумулирование энергии путем производства водорода (см. раздел 5.6), использование водорода как энергоносителя при передаче энергии, потребление водорода как топлива в топливных элементах и в других преобразователях для получения электрической или механической энергии и/или тепла. Предполагают, что в таком комплексном виде водородная энергетика может начать развиваться после того, когда будут разработаны технически и экономически более эффективные способы выделения водорода из его химических соединений (прежде всего из воды). Идея водородной энергетики основывается на превосходных свойствах водорода как энергоносителя и топлива – на большой теплоте сгорания (рис. 9.6.1), малой плотности (рис. 9.6.2) и, как результат, низких расходах передачи, отнесенных на единицу энергии (рис. 9.6.3). 142 H2 50 CH4 Каменный уголь 29 Рис. 9.6.1. Теплота сгорания водорода и, для сравнения, метана и каменного угля (MJ/kg) H2 0,090 0,72 CH4 1,29 Воздух Рис. 9.6.2. Плотность водорода и, для сравнения, метана и воздуха (kg/m3) H2 31 CH4 30 200 Электроэнергия Рис. 9.6.3. Приблизительные расходы трубопроводной передачи водорода и, для сравнения, метана и (по линиям электропередачи) электроэнергии в больших количествах на 100 km (€/MJ) 419 В настоящее время в мире потребляется около 50 Mt водорода в год (с увеличением около 10 % за год). Приблизительно половина этого количества используется для производства аммиака, а другая половина – при обработке нефти (при каталитическом крекинге) для получения легких видов моторного топлива. До сих пор водород производится преимущественно из другого топлива – 48 % из природного газа, 30 % из нефти и 18 % при реакции угля с водой. В настоящее время доля электролиза воды в производстве водорода составляет только 4 %. Стоимость водорода на мировом рынке относительно высока – приблизительно 2,70 доллара за килограмм (рис. 9.6.4), однако по стоимости на единицу энергосодержания его можно считать вполне конкурентоспособным по сравнению с некоторыми другими видами топлива (рис. 9.6.5). 2,70 H2 Бензин 0,90 Этанол 0,70 Природный газ 0,14 Каменный уголь 0,075 Горючий сланец 0,01 Рис. 9.6.4. Сравнение стоимости водорода со стоимостью других видов топлива (по массе, $/kg) H2 Бензин 19 Этанол 16 21 Природный газ 3,4 Каменный уголь 2,8 Горючий сланец 1,0 Рис. 9.6.5. Сравнение стоимости водорода со стоимостью других видов топлива (по теплоте сгорания, $/GJ) Данные, приведенные на рис. 9.6.4 и 9.6.5, основываются на стоимости топлива в 2005 году. Быстрый рост стоимости нефтепродуктов (см. раздел 9.2) приводит к повышению конкурентоспособности водорода относительно бензина. Для более широкого применения водорода в энергетике необходимо найти более эффективные способы его производства. Такими способами в будущем могут оказаться горячий электролиз воды и термическое разложение воды в специальных высокотемпературных ядерных реакторах (при температуре от 850 оС до 1000 oC). Предполагают, что в таких случаях стоимость водорода может снизиться приблизительно в два раза. Исследуются и возможности каталитического разложения воды под воздействием солнечного излучения. Если такие технологические процессы удастся реализовать в промышленном масштабе, то производство водорода может переноситься 420 на гидравлические и солнечные электростанции, находящиеся далеко от центров потребления электроэнергии, на ветряные электростанции в качестве одного из способов аккумулирования энергии, на атомные электростанции с ядерными реакторами, которые могут использоваться для получения как электроэнергии, так и водорода (такая электростанция могла бы, например, вырабатывать днем электроэнергию, а ночью водород). Так как передача водорода в больших количествах может оказаться намного дешевле, чем передача электроэнергии, то в будущем вместо электрических сетей высокого и сверхвысокого напряжения могут появиться трубопроводные сети водорода (рис. 9.6.6). ГЭС СЭС H2 O АЭС H2 O H2 O Э Э H2 O2 H2 O2 H2 O2 Трубопроводная сеть А O2 H2 O Тепло Батарея топливных элементов Электроэнергия Рис. 9.6.6. Принцип устройства водородной энергетической системы. АЭС атомная, ГЭС гидравлическая, СЭС солнечная электростанция, А аккумулятор (хранилище) водорода, Э электролизное устройство Расход энергии для электролиза воды составляет приблизительно 200 MJ/kg. Так как теплота сгорания получаемого водорода равна 142 MJ/kg, то кпд элекролиза может считаться равным приблизительно 70 %. Если водород используется в топливных элементах с кпд, например, 60 %, то результирующий кпд преобразования электроэнергии в химическую энергию 421 водорода и обратно в электрическую составляет приблизительно 40 %, что обычно считается приемлемым. Для аккумулирования водорода могут использоваться сжатие при давлении от 5 MPa до 10 MPa, сжижение при температуре около –250 oC, металлические гидриды (например, MgH2 ), из которых водород легко выделяется при нагреве. Наиболее простым следует считать аккумулирование в виде сжатого газа, наименьший объем аккумулирующего устройства достигается при сжижении водорода, наиболее безопасным (но и наиболее дорогим) является применение металлических гидридов. В 2004 году исследовательская группа Горной академии Фрейберга (Freiberg, Германия) под руководством Герта Вольфа (Gert Wolf) разработала новый способ аккумулирования водорода – в виде ацана бора BNH6 . Это соединение разлагается при нагреве более 100 oC, освобождая две молекулы H2 . Выделяющееся при этой реакции тепло обеспечивает непрерывность процесса разложения. Продукты разложения не представляют собой опасности для окружающей среды. По предварительным оценкам, электромобиль с запасом ацана бора от 40 kg до 50 kg мог бы проехать около 500 km, что вполне сравнимо с обычными автомобилями. 9.7 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ Потребители энергии стараются экономить энергию главным образом для того, чтобы уменьшить плату за потребляемую энергию. Чем дороже тот или другой вид энергии и чем больше другие прямые и косвенные издержки, связанные с энергопотреблением (не только в деньгах, но и в затратах времени и труда), тем больше потребители заинтересованы в бережливом расходовании энергии. Бережливое энергопотребление имеет, кроме того, большое значение для общества в целом, так как оно замедляет изменения климата, вызванные интенсивным потреблением энергии (прежде всего, в результате уменьшения выбросов двуокиси углерода и других парниковых газов), отодвигает срок исчерпания невозобновляемых энергоресурсов и увеличивает тем самым продолжительность надежного энергообеспечения как в отдельных государствах, так и во всем мире, повышает энергополитическую независимость государств, энергохозяйство которых в какой-то мере основывается на импорте топлива и других видов энергии, позволяет отодвигать инвестиции на развитие топливной промышленности, на сооружение новых электростанций и на повышение мощности систем передачи энергии, уменьшает потери энергии и затраты, связанные с передачей энергии, позволяет снизить емкость и стоимость устройств аккумулирования энергии и продливает их срок службы, 422 уменьшает производственный расход энергии в промышленности, сельском хозяйстве и других сферах народного хозяйства, снижая этим себестоимость процукции и повышая ее рыночную конкурентоспособность. Иногда необходимость ограничения энергопотребления вызывается дефицитом энергии. Строгие лимиты потребления энергии могут быть установлены, например, законодательным путем во время войны или других кризисных ситуаций. К эффективному и экономному потреблению энергии призывают в своих принципиальных и конкретизированных рекомендациях Мировой совет энергетики (World Energy Council, WEC) [9.5] и другие международные энергетические организации, а соответствующие обязательные меры предписываются законодательным путем как отдельными государствами, так и союзами государств. Большое значение приобрела, например, директива Европейского Союза по энергетической эффективности зданий [9.6]. Беречь энергию заставляет и постоянное удорожание как первичных энергоресурсов, так и электроэнергии и тепла. Развитие энерготехники четко направлено на повышение кпд всех преобразователей энергии, на снижение потерь при передаче энергии, на разработку более эффективного оборудования энергопотребления. Например, за последние 30 лет прошлого столетия (с 1970 по 2000 год) средний кпд тепловых электростанций увеличился с 30 % до 40 % [9.5], а в Центральной Европе потребление тепла для отопления зданий (в соответствии с программой Дом пониженного энергопотребления) удалось снизить с 400 kWh/(m2 a), до 50 kWh/(m2 a) [9.7]. Возможности экономии энергии начинаются с технологии добычи топлива и его сжигания для получения электроэнергии и тепла. Среди этих возможностей следует отметить, прежде всего, следующие: переработка попутного газа, получаемого вместе с нефтью на нефтеразработках, в товарное топливо (вместо сжигания в факелах, как это до сих пор практикуется), использование энергетически более эффективных горных машин и транспортных средств при добывании твердого ископаемого топлива, на топливосжигающих электростанциях – замена твердого или жидкого топлива, при возможности, природным газом, применение на тепловых электростанциях паровых котлов и турбин с более высокими (в том числе сверхкритическими) параметрами пара, расширение совместной выработки электроэнергии и тепла, сооружение электростанций с комбинированным применением паровых и газовых турбин, установка на теплоэлектроцентралях аккумуляторов тепла, использование горючих отходов производства для получения электроэнергии и тепла. Возможности энергосбережения при передаче энергии заключаются, главным образом в выборе оптимального способа транспортировки топлива (трубопроводов, железнодорожных или судовых перевозок и т. д.), 423 в снижении потерь энергии (например, путем применения лучшей теплоизоляции в теплопроводных сетях городов), при передаче электроэнергии – в выборе оптимального напряжения и рода тока, а также в минимизации передачи реактивной энергии. В наибольших количествах и наиболее эффективно расход энергии может быть сокращен при ее потреблении. При этом обычно имеются в виду выбор оптимальной разновидности энергии, повышение кпд энергоприемников, уменьшение числа ступеней преобразования энергии, оптимальное регулирование двигателей внутреннего сгорания (обычно при помощи микропроцессорного управления), чтобы обеспечить максимально возможный кпд при любой нагрузке и любой скорости вращения, использование электроприводов, регулируемых при помощи преобразователей частоты, сокращение расхода тепла в отопительных системах и производственных процессах путем использования надлежащих устройств автоматического регулирования, улучшение тепловой изоляции зданий, активное и пассивное использование энергии солнечного излучения, полезное использование тепла, отводимого из производственных установок, использование тепла, отводимого вентиляцией зданий, для нагрева поступающего свежего воздуха, местная аккумуляция энергии во время минимума нагрузки систем электроснабжения, использование источников света с высокой световой отдачей, а также автоматическое регулирование уровня освещения. Расход энергии уменьшают, кроме того, повторное использование металлов и других материалов, которое в настоящее время предписывается и государственным или международным законодательством, развитие техники связи и телекоммуникации. Большинство вышеназванных мер более подробно рассмотрено в других главах настоящей книги. Среди мер, принятых в первые годы 21-го века, в первую очередь, заслуживают внимания восстановление трамвайного и троллейбусного движения во многих крупных городах Европы, развитие железнодорожного и судового транспорта при одновременном ограничении автомобильных перевозок, широкое использование энергии солнечного излучения для снабжения теплой водой и отопления зданий, повторное использование материалов, содержащихся в отходах, использование маломощных рассредоточенных источников электроэнергии и тепла для уменьшения потерь, возникающих при передаче энергии на расстояние. В энергопотреблении зданий наибольшее значение имеет отопление. В странах Центральной и Северной Европы его доля в общем энергопотреблении зданий составляет от 50 % до 75 %. Поэтому наибольшую экономию энергии можно получить при уменьшении отопительных нужд путем улучшения 424 теплоизоляции зданий. Во многих странах приняты соответствующие законодательные акты, устанавливающие максимально допустимые значения годового расхода энергии отопления на единицу общей площади здания. Результативность такого законодательства можно проиллюстрировать, например, уменьшением отопительных нужд в новостройках Германии с 1970 года [9.7] и, в особенности, сравнение достигнутых результатов с расходом энергии на отопление зданий, построенных в это же время в Эстонии (рис. 9.7.1). 450 kWh 2 m a 1 400 350 300 2 7 250 3 200 4 150 100 5 6 50 0 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 Рис. 9.7.1. Примеры расходования тепла на отопление зданий. 1 расход тепла в новостройках Германии с 1971 по 1991год, 2 немецкий стандарт по потреблению тепла DIN 4108, 3, 4 и 5 первое, второе и третье постановления, принятые в Германии по экономии потребления тепла, 6 действующее в Германии с 2002 года постановление по экономии энергии, 7 расход тепла в зданиях, построенных в 1960…1995 годах в Эстонии По потреблению тепла в Средней Европе различают следующие типы жилых зданий: здания с низким потреблением тепла (не более 70 kWh/(m2a)), пассивные здания – с потреблением тепла не более 15 kWh/(m2a), здания нулевой энергии – с годовым потреблением тепла, равным нулю, 425 здания положительной энергии, которые могут отдавать избыточную энергию (получаемую, например, путем использования солнечного излучения) за пределы здания. Электропривод потребляет приблизительно 2/3 всей вырабатываемой в мире электроэнергии. Поэтому обращают особое внимание на разработку новых энергоэкономичных систем электропривода и на уменьшение потерь энергии при регулировании этих приводов. Наивысший кпд достигается обычно при применении приводов переменного тока с преобразователями частоты, приводов постоянного тока с полупроводниковыми устройствами регулирования. Как уже отмечалось (см. раздел 7.3), замена устаревших приводных систем этими приводами может обеспечить экономию электроэнергии часто до 50 %. Несмотря на то, что доля освещения в мировом потреблении электроэнергии составляет приблизительно лишь 10 %, считают важным и здесь принимать все меры для ее экономии. Основными мерами снижения расхода электроэнергии в осветительных установках могут считаться замена ламп накаливания разрядными лампами и светодиодами, замена дроссельных пускорегулирующих аппаратов разрядных ламп преобразователями частоты (см. раздел 7.6). В ближайшем будущем возможен полный запрет использования ламп накаливания. Первой страной, запретившей лампы накаливания (в 2008 году) является Австралия; целесообразность такого запрета рассматривается и в Европейском Союзе. В домашнем хозяйстве освещение, бытовые электроприборы и машины, бытовая электроника и ЭВМ потребляют приблизительно одну треть всей энергии, расходуемой в здании. Больше всего электроэнергии идет на приготовление пищи, на хранение пищевых продуктов в холодильниках и на освещение, но постоянно увеличивается и расход электроэнергии на бытовую электронику и ЭВМ. Чтобы люди могли приобретать энергетически наиболее эффективное бытовое электрооборудование и чтобы стимулировать изготовление такого оборудования электротехническими заводами, в Европейском Союзе, согласно соответствующей директиве, введена классификация бытового электрооборудования и электроприборов по относительному расходу электроэнергии. Классы энергоэффективности указываются на табличках единой формы (рис. 9.7.2), наклеиваемых на оборудование или отпечатанных на упаковках электроприборов. В этой системе классы энергоэффективности обозначаются буквами от A до G; обозначение A присваивается наиболее энергоэффективному, а обозначение G – наименее энергоэффективному оборудованию данного типа. Ступень D соответствует приблизительно среднему относительному электропотреблению оборудования данного типа в Европе. Обычно на табличке энергоэффективности приводятся и дополнительные данные, например, о расходе воды (в стиральных машинах), об объеме (у холодильников), об уровне шума и т. п. 426 a E nerg iy e A Рис. 9.7.2. Форма европейской таблички энергоэффективности (energy label). Пример, приведенный на рисунке, характеризует устройство, относящееся к классу A. На табличке могут указываться дополнительные сведения и условные обозначения В настоящее время табличками энергоэффективности снабжаются холодильники, морозильники и их комбинации, стиральные машины, барабанные сушители белья и их комбинации, посудомоечные машины, электрические источники света (лампы), электрические печи, кондиционеры. Энергетическая эффективность некоторых бытовых электроустройств достигла уровня, который превышает пределы стандартной шкалы эффективности. Появились, например, холодильники, относительное электропотребление которых на 25 % или даже на 40 % ниже, чем холодильников класса А; поэтому они обозначаются символами A+ или A++. 427 9.8 О ПЕРСПЕКТИВАХ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ ЭСТОНИИ Особенностями энергетического хозяйства Эстонии являются, как отмечено уже в главе 6, покрытие энергопотребления на 2/3 за счет собственных первичных энергоресурсов – горючего сланца, древесины и торфа, а также (в намного меньшей мере) ветряной и гидравлической энергии, жидкого и газового биотоплива, выработка электроэнергии почти на 90 % путем сжигания местного ископаемого топлива – горючего сланца, зависимость от импорта природного газа и жидкого топлива, интенсивные железнодорожные транзитные перевозки (главным образом – жидкого топлива из России в порты Эстонии), наличие большого количества физически и морально устаревшего оборудования на электростанциях, подстанциях и в сетях. Направления развития энергетического хозяйства Эстонии определены в соответствующей государственной программе [9.8], в которой рассматриваются использование возобновляемых энергоресурсов, выработка и ценообразование электроэнергии, прогнозы электропотребления, развитие электрических сетей, торговля электроэнергией, вопросы свободного рынка и международное сотрудничество в энергетике, воздействие выработки электроэнергии на окружающую среду, размеры необходимых капиталовложений, налоговая политика. Составлена также целевая программа по энергосбережению с 2007 по 2013 год [9.9]. На основании вышеназванных руководящих документов и учитывая возможности, рассмотренные в настоящей книге, наиболее существенными направлениями развития энергетики Эстонии могут считаться более эффективное использование горючего сланца на сланцевых электростанциях путем обновления котельных агрегатов, перехода на технологию сжигания сланца в топках с кипящим слоем и на сверхвысокие параметры пара, расширение производства сланцевого масла, использование газа, возникающего при производстве сланцевого масла, техническое использование золы, образующейся на сланцевых электростанциях, более широкое использование возобновляемых энергоресурсов в соответствии с целями, установленными Европейским Союзом (см. рис. 9.5.1), как путем сооружения ветряных и гидравлических электростанций, так и путем использования топливной древесины для выработки электроэнергии, 428 участие в сооружении новой атомной электростанции в Литве и определение целесообразности сооружения собственной атомной электростанции, строительство газотурбинной электростанции вблизи Таллинна для обеспечения аварийного резерва выработки электроэнергии, развитие обмена электроэнергией с Финляндией и с энергосоюзом Скандинавии, в будущем – присоединение к европейскому Союзу координации передачи электроэнергии (вместе с Латвией и Литвой), обновление электрических сетей и подстанций, развитие малоэнергоемких отраслей промышленности, улучшение тепловой изоляции зданий для снижения расхода энергии на отопление, развитие железнодорожного транспорта и в перспективе – соединение Эстонской железной дороги со скоростной железнодорожной сетью Европы (например, путем сооружения железнодорожных линий Таллинн–Берлин и Таллинн–Вена), исследование возможностей использования энергии солнечного излучения, экономическое стимулирование (в том числе со стороны государства) эффективного и бережливого использования энергии. Особенно важным следует считать соединение энергосистемы Эстонии с европейским Союзом координации передачи электроэнергии и с энергосоюзом Скандинавии, что обеспечило бы высокую надежность электроснабжения и позволило бы участвовать на рынке электроэнергии Европы, устанавливать оптимальную цену на электроэнергию. 429 Литература 9.1 Grünbuch. Eine Europäische Strategie für nachhaltige, wettbewerbsfähige und sichere Energie. – Brüssel: Kommission der Europäischen Gemeinschaften, 2006. – 23 S. 9.2 Final Report. System Disturbance on 4 November 2006. – UCTE, 2007. – 85 p. 9.3 Airtricity unveils European Offshore Supergrid // Airtricity Press Release 8.5.2006, 3 p. 9.4 Mönninger, M. Die Wiederkehr des Atoms // Die Zeit 23.10.2003. 9.5 Energy Efficiencies: Pipe-dream or reality? WEC Statement 2006. – London: World Energy Council, 2006. – 10 p. 9.6 Directive 2002/91/EC of the European Parliament and of the Council of 16 December 2002 on the energy performance of buildings // Official Journal of the European Communities, 4.1.2003, p. L 1/65 ... L 1/71. 9.7 Winter, C.-J. Sonnenenergie nutzen – Technik, Wirtschaft, Umwelt, Klima. – Berlin & Offenbach: VDE-Verlag, 1997. – 172 S. 9.8 Eesti elektrimajanduse arengukava 2005–2015. Kinnitatud Vabariigi Valitsuse 3. jaanuari 2006. a. korraldusega nr 5. – 35 lk. 9.9 Energiasäästu sihtprogramm 2007–2013. Kinnitatud Vabariigi Valitsuse 05.11.2007 korraldusega nr 485. – 51 lk. 430
