ИСТОРИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ ЭНЕРГЕТИКИ 1.4 И ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

1.4
ИСТОРИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ ЭНЕРГЕТИКИ
И ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ
Колыбелью человечества считается центральная часть Восточной Африки, где
приблизительно 3 миллиона лет назад развился Homo habilis (‘умеющий
человек’), знающий первые примитивные средства труда – камни, палки и
древесные ветки [1.10]. Обращение с такими средствами труда означало
использование аккумулированной в них или передаваемой ими механической
энергии главным образом для увеличения ударной силы рук, например, при
раздроблении ракушек, орехов и костей животных. Палки и ветви деревьев
могли использоваться также как рычаги, например, при собирании съедобных
корений растений. Homo habilis явно отличался от человекообразных обезьян,
умел лучше приспособиться к энергетическим явлениям окружающей среды
(излучению Солнца, температуре воздуха, ветру, течению воды и т. п.) и умел
более целенаправленно использовать силу своих мышц. Однако энергию,
необходимую для жизнедеятельности, он получал, как и его предки, только
благодаря пище, которая содержала преобразуемую путем окисления в
организме химическую энергию в среднем около 8 MJ на человека в день.
Годовое количество потребляемой пищи соответствовало весьма условно
количеству энергии около 3 GJ (или 0,1 tce) на человека.
Прошло несколько сотен тысяч лет, и человек научился бросать принимаемые
в руки предметы. Для этого нужна была не только координация усилий
различных мышц, но и оценка расстояния и учет массы и формы бросаемого
предмета, что явно требовало уже управляющих действий мозга.
Предполагают, что в результате именно этого начались как более быстрое
развитие человеческого мозга, так и примитивная интеллектуальная
деятельность [1.11].
Передвигаясь в поисках пищи группами из нескольких десятков человек, этот
вид первобытных людей добрался из Африки в Южную Азию и Южную Европу.
Его дальнейшее развитие шло в разных частях света по-разному, но быстрее
всего – в Африке, в Малой Азии и в Китае.
Приблизительно 2 миллиона лет назад развился ходящий стоя Homo erectus
(‘стоящий человек’). Через 0,5 миллиона лет назад этот вид людей,
численность которых, вероятно, определялась несколькими десятками тысяч,
прибыл в Малую Азию и научился, кроме того, пользоваться огнем. Старейшее
из открытых до настоящего времени огнищ находилось в нынешнем Северном
Израиле и было использовано приблизительно 790 000 лет тому назад [1.12].
Умение добывать и сохранять огонь позволяло человеку более успешно
передвигаться в регионы, где теплые времена года чередовались с холодными
(в том числе в Европу) и, что более важно, позволяло перейти от сырой пищи
на легче переваримую варенную или печеную. В организме человека это
привело к перераспределению используемой энергии – уменьшилось
потребление энергии на пищеварение, и, упрощенно говоря, осталась больше
энергии для развития мозговой деятельности. В итоге такого развития у
современного человека мозг, масса которого составляет всего 2,5 % от общей
массы тела, требует для своего функционирования 15 % от всего
потребляемого кислорода, 20 % получаемой из пищи энергии и 40 % кровяного
сахара (рис. 1.4.1).
24
Масса: 2,5 %
Потребляемый кислород: 15 %
Получаемая с пищей энергия: 20 %
Кровяной сахар: 40 %
Рис. 1.4.1. Удельная доля мозга современного человека в массе и
энергопотреблении тела
Для разведения огня нужно было топливо, которым в то время могла служить
только древесина. Пришлось изготовлять средства для рубки и разделки
деревьев – каменные топоры. Развивались охота и обработка мяса. Для жилищ
и огнищ необходимо было разбивать и перевозить камни. Все это требовало от
человека не только более разнообразных форм физического труда, но и все
более напряженной умственной деятельности, ускоряло умственное развитие.
То, что с освоением огня началось более быстрое интеллектуальное развитие
человека, дало швейцарскому экономисту Сигрид Кнехт (Sigrid Knecht) в 1972 г.
основание утверждать, что культура началась с повалом первого дерева. К этому она
добавила пессимистически: когда однажды повалят последнее дерево, придет конец
и культуре [1.13].
Переход на использование огня означал, что кроме энергии, содержащейся в
пищевых продуктах, человек начал как для приготовления пищи, так и для
примитивного отопления (как сейчас говорят – для бытовых нужд) потреблять
тепло. Потребление энергии возросло от 8 MJ до приблизительно 20 MJ на
человека в день (до 7,5 GJ или 0,25 tce в год) [1.14].
Предполагают, что примерно 50 000 лет назад в результате некоторой генной
мутации в развитии мозга и интеллекта человека произошел существенный
скачок. Появился прямой предок всех живущих ныне на свете людей –
анатомический современный кроманьонец, который уже умел говорить и
который в течение приблизительно 10 000 лет заселил Европу и Северную
Азию, а около 20 000 лет назад пришел в Америку и Австралию [1.15]. Человек
научился сохранять огонь не только в виде углей под золой (этот способ
сохранения огня в свое время хорошо был известен и народам, живущим на
берегах Балтийского моря), но и получать огонь путем трения сухой древесины.
Добывание огня трением – превращение механической энергии в тепло – следует
считать первым из открытых человеком способов искусственного преобразования
энергии.
При пользовании огнем человек заметил, что камень после воздействия огня
легче обрабатывается, а глина в огне каменеет. Путем нагрева смеси глины и
костной муки приблизительно 40 000 лет назад стали получать первый
искусственный материал – горшковую керамику; появилась технология
обжигания материалов. Старейшая из обнаруженных до сих пор печей
обжигания глиняных сосудов находится в Дольни-Вестонице (Dolni-Vestonice,
Чехия). Кроме глиняной посуды стали производить и первый искусственный
стройматериал – кирпич. Приблизительно 8000 лет назад огневой нагрев стал
применяться при обработке металлов (золота, серебра, меди), а около 6000 лет
назад – для плавки и литья металлов (в первую очередь, меди и бронзы); были
заложены основы металлургии. В связи с этим увеличилось и потребление
энергии.
25
Примерно за 8000 лет до рождества Христова, когда численность людей в мире
была уже около 5 миллионов, в Месопотамии и в ближайших к ней частях
Малой Азии (приблизительно в то же время также и в Восточной Азии, Мексике
и Перу) началось земледелие, что привело к постоянному заселению и
великому культурному перевороту, называемому в истории неолитовой
революцией. Быстро стали развиваться общественный строй, строительное
дело, транспорт и мореходство. За 4000 лет д. р. Х. в Египте в качестве
тяглового животного стал использоваться осел, около 3500 лет д. р. Х. в
Месопотамии – бык и около 3000 лет д. р. Х. в Ближнем Востоке – лошадь.
Приблизительно в это же время шумерами было изобретено колесо и
эффективное транспортное средство – телега [1.17], использумая, по всей
вероятности, и для перевозки древесного топлива. В обществе, занимавшемся
земледелием, животноводством и зачаточным промыслом, энергопотребление
дошло приблизительно до 50 MJ на человека в день (0,6 tce в год) и почти
поровну распределялось между пищей (вместе с ее приготовлением), бытом и
производственными нуждами (сельским хозяйством и промыслами).
Численность людей в мире составляла около 15 миллионов.
Кроме огня и тягловых животных в неолите начал примененяться еще один
источник энергии – ветер. Произошло это после того, как мореплаватели
Египта и, вероятно, других стран Средиземноморья, приблизительно за 4000
лет д. р. Х., обнаружили, что судно можно привести в движение при помощи
сплетенного из папируса или из другого подобного материала паруса.
Приблизительно за 3500 лет д. р. Х. было изобретено ткачество, и суда
получили более гибкие, легкие и прочные матерчатые паруса [1.17]. Судовые
паруса, как это вытекает из не совсем проверенных данных, с 3-го века д. р. Х.
использовались и на крыльях первых ветряных мельниц.
Ветряные мельницы, снабженные треугольными крыльями, похожими на судовые
паруса, можно и сейчас встретить, например, на Крите и в других регионах Южной
Европы.
Несколько позже водяные колеса легли в основу использования
гидроэнергии. Первое соответствующее письменное сообщение, датируемое
210 годом д. р. Х., исходит от древнегреческого (византийского) физика Филона
[1.17].
Во втором и первом тысячелетиях д. р. Х. вместе с возникновением
высокоразвитых цивилизаций Ближнего Востока, Египта, Крита, Греции и Рима,
а также с ростом населения человеческая деятельность стала все больше
влиять на окружающую среду. Для строительства, судостроения и отопления
требовалось древесины больше, чем природа была в состоянии воспроизвести.
Площадь лесов стала уменьшаться, и на месте многих из них возникли
пустыни, существующие и поныне. Население мира в начале нашей эры
составляло, по разным оценкам, 150...300 миллионов человек.
В Эстонии человеческие поселения появились после окончания последнего
ледникового периода приблизительно 10 000 лет назад. В начале нашей эры
численность эстонцев достигла 20 000, и их незначительное влияние на окружающую
среду состояло в расширении полей путем паления подсеки, в сооружении городищ и в
использовании древесины для отопления и судостроения. В конце первого тысячелетия
нашей эры умели, по всей видимости, пользоваться и энергией воды, так как
соответствующий термин veski (‘мельница’) происходит чисто из эстонского языка
[1.18]. Кроме того, на реке Ягала обнаружено место мельницы, существовавшей не
позже 1162 г., когда ни немцы, ни датчане до Эстонии еще не дошли [1.19].
26
С возникновением Римской империи развитие техники, в том числе и
энерготехники, переместилось в Европу. Тепло для приготовления пищи и
отопления зданий получали посредством сжигания древесины, механическую
энергию – путем использования сил человека и тягловых животных (в первую
очередь – лошадей), а начиная с 4-го века – все больше используя энергию рек.
Например, в 11-ом веке в Англии (с населением около 1 миллиона человек)
существовало более 5600 водяных мельниц. Ветряные мельницы стали
появляться в основном в 12-ом веке; в это же время началась и добыча
каменного угля. В течение нескольких столетий каменный уголь стал в Европе
важнейшим видом промышленного топлива, и в 1640 г. из него научились
производить необходимый для металлургии кокс.
В Англии каменный уголь из открытых месторождений стали добывать уже в 9-ом веке
(первое сообщение датируется 852 годом), однако первую подземную шахту соорудили
в герцогстве Лимбург (Limburg) монахи монастыря Клостеррода (Klosterroda) только в
1113 г. [1.16].
Использование топлива, тягловых животных, силы ветра и воды долго
происходило способами, разработанными чисто опытным путем. В средние
века началось однако и научное исследование энергетических явлений.
Первым важным событием в этой области следует считать наблюдение
английского естествоиспытателя Роджера Бэкона (Roger Bacon, 1214–1294):
топливо может гореть только при наличии притока воздуха; прекращается
приток – пламя гаснет.
Величайшим достижением средних веков является изобретение паровой
машины. В 1688 г. французский физик Дени Папен (Denis Papin, 1647–1712)
построил первую примитивную атмосферную (основанную на конденсации
пара и действии атмосферного давления) поршневую машину. Первые
пригодные к применению (используемые для выкачивания воды из шахт)
машины появились в 1698 г. (см. раздел 3.2). В 1765 г. усовершенствованием
паровой машины занялся английский механик Джеймс Уатт (James Watt), в
1788 г. изготовивший универсальную, пригодную для привода вращающихся
механизмов машину. Этот год условно считается началом промышленного
переворота, так как была изобретена энергетическая машина, которая могла
размещаться где угодно и приводить в движение какие угодно промышленные
устройства. Паровые машины могли помещаться и на транспортных средствах,
особенно эффективно они оправдали себя на паровозах. Началось развитие
железных дорог, что привело к многократному увеличению энергопотребления
на транспорте.
В 19-ом веке появились и многие другие энергетические машины. В 1827 г.
была изобретена пригодная для практического применения гидротурбина, в
1832 г. были изготовлены первые опытные электрические генераторы.
Промышленное применение электроэнергии началось в 1842 г., когда
английский промышленник Джон Стивен Вулрич (John Stephen Woolrich, 1790–
1843) установил для питания электролизной ванны агрегат, состоявший из
паровой машины и генератора постоянного тока. В 1870-ые годы появились
первые электростанции промышленных предприятий (главным образом, для
питания дуговых ламп в осветительных установках), а в 1882 г. начали
сооружать крупные электростанции общего пользования. Такие станции
стали необходимы после разработки в 1879 г. американским изобретателем
Томасом Альва Эдисоном (Thomas Alva Edison, 1847–1931) первого
электроприемника массового применения – простой маломощной лампы
27
накаливания с приемлемыми световыми свойствами, на которую сразу возник
быстро увеличивающийся спрос. Год 1882 считается поэтому началом
большого электротехнического переворота. На рост производства
электроэнергии повлиял не только быстро растущий спрос, но и изобретение
паровой турбины английским инженером Чарлзом Алгерноном Парсонсом
(Charles Algernon Parsons, 1854–1931), а также сооружение
гидроэлектростанций, являвшихся источниками дешевой электроэнергии. Уже в
1899 г. в Южной Калифорнии (США) возникла первая энергосистема (Southern
California Edison Electric Co.). Население мира составляло в начале 20-го века
1590 миллинов.
В середине 19-го века к различным видам твердого топлива добавилось первое
жидкое топливо – нефть. В малых количествах она добывалась еще раньше из
примитивных колодцев в восточной части США и около Баку в Азербайджане,
но в 1859 г. американский предприниматель Эдвин Латрен Дрейк (Edwin
Laterine Drake, 1819–1880) пробурил в Пенсильвании (Pennsylvania, США),
около города Титусвиль (Titusville), первую промышленную нефтедобывающую
скважину (глубиной 21 m). Продукты рафинирования нефти – керосин и бензин
– оказались весьма эффективным моторным топливом, и в 1885 г. немецкий
предприниматель Карл Фридрих Бенц (Carl Friedrich Benz, 1844–1929) построил
первый автомобиль, работающий на двигателе внутреннего сгорания.
Газовое первичное топливо – природный газ – был известен уже в древности,
но первую газодобывающую скважину пробурил на своем участке в 1884 г.
американский предприниматель Джордж Вестингауз (George Westinghouse,
1846–1914). Этот год может считаться началом промышленного использования
газа.
В первой половине 20-го века в развитых странах мира образовалось
промышленное общество, в котором среднее энергопотребление на душу
населения поднялось до 320 MJ в сутки, или 4 tce в год (9 % с принимаемой
пищей, 42 % на бытовые нужды, 31 % в промышленности и в сельском
хозяйстве, 18 % в транспорте). В 1960 г. население мира достигло
3 миллиардов человек.
Развитие промышленности в различных регионах мира шло различными
темпами – быстрее всего в Европе и Северной Америке, медленнее в Африке.
Поэтому среднее энергопотребление мира было существенно меньше, чем в
промышленно развитых странах, и составляло, например, в 1900 г.
приблизительно 0,7 tce на душу населения в год.
Во второй половине 20-го века началось применение нового вида энергии –
ядерной (атомной) энергии. Первый ядерной реактор был запущен в 1942 г. в
Чикаго (Chicago, США) итальянским физиком Энрико Ферми (Enrico Fermi,
1901–1954), а первая ядерная электростанция в 1954 г. – в Обнинске (Россия).
Последняя четверть 20-го века повлекла за собой однако и энергетический
кризис, начавшийся в 1973 г. с внезапного повышения стоимости сырой нефти
в 4 раза Организацией стран – экспортеров нефти (Organization of the Petroleum
Exporting Countries, OPEC). Возникла необходимость найти новые,
альтернативные энергоресурсы, в качестве которых стали применять прежде
всего биомассу и ветер. В 1990-ые годы стало ясно, что сжигание топлива в
таком объеме, как это имело место в конце 20-го века, а также другие
энергетические процессы приводят к изменению климата, выражающемуся
прежде всего в его глобальном потеплении. Поэтому Организация
объединенных нации созвала в 1992 г. в Рио де Жанейро (Rio de Janeiro)
28
первую всемирную конференцию по окружающей среде и развитию, в которой
участвовали руководители 170 государств и где наметились меры по
замедлению опасных изменений климата. В 1997 году, на очередной
климатической конференции в Киото (Япония), была достигнута
договоренность: каждая страна должна уменьшить в конкретном объеме
количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу в результате
сжигания топлива. Принятый в Киото протокол вступил в силу в феврале 2005
года, но его реализация, намеченная на 2012 год, может оказаться весьма
проблематичной.
В начале 21-го века (к 2001 году) население мира составляло 6,2 миллиарда, а
на 1 декабря 2007 года увеличилось до 6,66 миллиарда человек. В настоящее
время население мира увеличивается в каждом году на 1,2 % (на 81 миллион
человек).
Во второй половине 20-го века все области техники, прежде всего
транспортная, информационная и вычислительная, повлияв и на многие
технические решения энерготехники, развивались настолько быстро, что
прежнее аграрно-промышленное общество превратилось в техническое
общество. Иногда, учитывая массовое применение средств информационной
техники, пользуются и названием информационное общество.
Энергопотребление человека в таком обществе возросло еще больше и
составляет до 1000 MJ в сутки, или 12 tce в год. Если условно считать
потреблением энергии и питание, то из названного количества энергии пища
составляет всего 4 %, бытовые нужды – 27 %, промышленность и сельское
хозяйство – 40 % и транспорт – 27 %.
При учете энергопотребления мира в целом, следует учесть, что
высокоразвитое техническое общество охватывает далеко не все население
Земного шара. Поэтому среднее энергопотребление на душу населения мира
составляет около 2 tce в год. Разница между энергопотреблением технически
развитых стран и средним мировым уровнем стала заметной уже в средние
века, и в настоящее время среднее энергопотребление населения мира
приблизительно в 5 раз меньше, чем, например, в США или в Канаде. Рост
энергопотребления на душу населения в мире графически (и сильно
упрощенно) изображен на рис. 1.4.2.
На рис. 1.4.2 и на некоторых рисунках раздела 1.5 единица душа населения
обозначается латинским сокращением cap (от слова caput, ‘голова’).
29
10 мрд.
Население мира
Энергопотребление
10 tce/cap
8
6
1 мрд.
Наиболее
развитые страны
100 млн.
4
2
Среднее по миру
1
0,8
0,6
10 млн.
0,4
Наименее развитые страны
1 млн.
0,2
Годы
–100 000
–8000
0 1000
1900
2000
2010
Рис. 1.4.2. Рост энергопотребления и населения мира за 100 000 лет
Особенно быстро развивались энергетика и энергопотребление за последние
120 лет. Наиболее наглядно этот процесс характеризуется повышением
производства коммерческих (торговых) видов энергии (коммерческих видов
топлива, а также получаемой на атомных, гидро-, ветро- и солнечных
электростанциях электроэнергии). Скорость роста энергопотребления в мире
может наглядно характеризоваться промежутками времени, за которые
энергопотребление удваивается; за 20-ый век они представлены в таблице 1.4.1.
К коммерческим видам энергии не относятся, например, топливо собственного
производства (древесина в сельских местностях, сжигаемые для собственных нужд на
месторождениях нефть и попутные газы и т. п.). Сюда не относятся и выделяющаяся в
ядерных реакторах тепловая энергия и аккумулированная в ядерном оружии ядерная
энергия. К коммерческим видам энергии, естественно, не относится и пища. Оценка
некоммерческих видов энергии весьма затруднена, так как их статистический учет
ведется не полностью или не ведется вовсе.
Таблица 1.4.1. Развитие энергопотребления мира
Год
1905
1938
1958
1974
2010 (прогноз)
2013 ?
30
Энергопотребление
Gtce
1
2
4
8
15
16
Более точно мировое производство коммерческих видов энергии за 20-й век и
первые годы 21-го века, по данным статистического ежегодника ООН на 2004
год [1.20], представлено на рис. 1.4.3. На том же рисунке показано их
производство также в 4 наиболее крупных по их производству странах – в США,
России, Китае и Саудовской Аравии.
20
Gtce
W
10
8
Мир
6
4
3
США
2
Китай
1
0,8
0,6
0,4
0,3
СССР
0,2
Саудовская Аравия
0,1
0,08
0,06
Россия
0,04
0,03
0,02
0,01
Прирост 5 %/a
0,008
Эстония
Прирост 1 %/a
0,006
0,004
1900
’10
’20
’30
’40
’50
’60
’70
’80
’90
2000
‘10
Рис. 1.4.3. Производство коммерческой энергии в 1900–2004 г. в мире,
США, России (1923–1990 – СССР), Китае, Саудовской Аравии и Эстонии
31
Государств, доля которых в мировом производстве коммерческих видов
энергии составляла не менее 2 %, в 2004 году было 12, и они дали немногим
более 2/3 мирового производства (рис. 1.4.4).
Мир
.
13 849 Mtce
США
2 036 Mtce
14,7 %
Китай
1 775 Mtce
12,8 %
Россия
1 658 Mtce
Сауд. Аравия
792 Mtce
Канада
562 Mtce
Индия
429 Mtce
Иран
405 Mtce
Австралия
364 Mtce
Мексика
340 Mtce
Индонезия
335 Mtce
Норвегия
335 Mtce
Великобритания 311 Mtce
12,0 %
5,7 %
4,1 %
3,1 %
2,9 %
2,6 %
2,5 %
2,4 %
2,4 %
2,3 %
Другие страны 4 507 Mtce
32,5 %
Эстония
4,6 Mtce
0,033 %
Рис. 1.4.4. Крупнейшие производители коммерческой энергии мира
в 2004 году
Таблица 1.4.1 и рис. 1.4.3 показывают, что с 1974 года (после начала
топливного кризиса 1973 года) рост мирового энергопотребления существенно
замедлился, а в течение некоторых лет оставался неизменным или даже
снижался. Это объясняется, главным образом, удорожанием энергии и, как
результат – принятыми в развитых странах мерами энергосбережения.
Особенно ясно характеризует это стабилизация производства коммерческих
видов первичной энергии (в первую очередь топлива) с 1990 года в США и
Саудовской Аравии. В то же время стали принимать во внимание, что
энергопотребление имеет определенный предел, зависящий от воздействия
энергоустановок на энергетическое равновесие и климат Земли. В настоящее
время такой границей может считаться приблизительно 30 Gtce/a. В некоторой
степени замедление роста мирового энергопотребления может объясняться и
общим снижением промышленного производства в 1990–2000 годах в странах
СНГ и Восточной Европы. В первые годы 21-го века начался однако быстрый
рост энергопотребления в Китае и Индии, из-за чего энергопотребление и в
мире быстрее увеличивается. В то же время стало совершенно ясно, что
граница энергопотребления определяется не столько его прямым влиянием на
энергобаланс Земли, сколько побочными явлениями преобразования и
использования энергии, в первую очередь, увеличением содержания
углекислого газа в атмосфере и вызванными этим изменениями климата Земли.
Более подробно эта проблема рассматривается в главе 8.
32
Еще быстрее росло в мире электропотребление (см. таблица 1.4.2 и рис. 1.4.5).
В соответствующей статистике также учитывается только коммерческая
электроэнергия, генерируемая на электростанциях энергосистем и крупных
предприятий. Электроэнергия, генерируемая на судах, самолетах, в поездах, на
мелких предприятиях, в навигационных устройствах и на других малых
энергоустановках, не может учитываться из-за неполноты или отсутствия
соответствующих данных. В некоторых странах (например, в США) не
учитывается также электроэнергия, расходуемая на собственные нужды
электростанций.
Таблица 1.4.2. Развитие электропотребления мира
Год
1895
1913
1939
1971
2010 (прогноз)
Учитываемое потребление
электроэнергии, PWh
0,005
0,05
0,5
5
20
В производстве и потреблении электроэнергии также очевидны две
противоположные тенденции:


замедление или даже уменьшение в развитых промышленных странах,
прежде всего в Европе, вызванное более рациональным использованием
энергии;
ускорение в развивающихся странах.
В начале 21-го века на рост электропотребления особенно повлияло быстрое
развитие энергетики Китая и Индии.
На рис. 1.4.5 показано развитие производства электроэнергии в мире и в
четырех странах, производящих этот вид энергии в наибольшем количестве –
в США, Китае, Японии и России. Стран, доля которых в мировом производстве
электроэнергии составляла не менее 2 %, было в 2004 году 11, и они
производили более 2/3 электроэнергии мира (рис. 1.4.6).
Производство электроэнергии также имеет свой предел, который определяется
границей производства первичной энергии и тем, какая часть первичной
энергии преобразуется в электрическую. Если исходить из того, что для
производства электроэнергии используется приблизительно 35 % первичной
коммерческой энергии и что кпд преобразования близок к 40 %, то пределом
мирового производства электроэнергии может считаться приблизительно
35 PWh/a.
На осях ординат рисунков 1.4.3 и 1.4.5 использована, как это часто делается в
статистическом анализе, логарифмическая шкала. Такая шкала позволяет
a) рассматривать изменение какой-либо величины в очень широком диапазоне
числовых значений (например, на рис. 1.4.5 в диапазоне 20 000 : 1);
b) представлять функции роста, в случае неизменного относительного годового
прироста, в виде прямых линий. Для облегчения оценки среднего годового прироста
33
на рисунках приведены наклонные прямые, соответствующие 1-, 5- и 10процентному годовому приросту.
20 000
TWh
Прирост 10 %/a
We
Мир
10 000
6 000
4 000
США
5 %/a
2 000
1 %/a
1 000
600
400
Япония
200
Китай
100
60
40
Эстония
20
10
6
4
Россия
2
СССР
1
0,6
0,4
0,2
0,1
0,06
0,04
0,02
1900
’10
’20
’30
’40
’50
’60
’70
’80
’90
2000
‘10
Рис. 1.4.5. Производство электроэнергии в 1900–2004 г. в мире, США (без
учета собственных нужд электростанций), Китае, Японии, России
(в 1923–1990 г. – СССР) и Эстонии
34
Мир
17 533 TWh
США
4 174 TWh
23,8 %
Китай
2 233 TWh
12,7 %
1 080 TWh
Япония
932 TWh
Россия
666 TWh
Индия
617 TWh
Германия
599 TWh
Канада
572 TWh
Франция
Великобритания 396 TWh
387 TWh
Бразилия
Корейская Респ. 371 TWh
6,2 %
5,3 %
3,8 %
3,5 %
3,4 %
3,3 %
2,3 %
2,2 %
2,1 %
Другие страны 5 506 TWh
341 Mtce
suurbritannia
31,4 %
Эстония
10,1 TWh
0,058 %
Рис. 1.4.6. Крупнейшие производители электроэнергии в мире в 2004 году
(США – без учета собственных нужд электростанций)
35
1.5
ЭНЕРГО- И ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕ СТРАН МИРА
На душу населения в мире в 2004 г., по данным ежегодника энергостатистики
ООН [1.20], потреблялось в среднем 2,01 tce коммерческих видов энергии. Так
как промышленность и энергетика развивались на разных континентах и в
разных странах исторически весьма неравномерно (см. рис. 1.4.2), то и
потребление энергии на душу населения в разных странах различно. В
Северной Америке, к которой, по статистическим изданиям ООН, кроме США,
Канады и Мексики, относятся и государства Средней Америки и Карибского
моря, этот показатель превышал, например, среднемировой в три с половиной
раза (7,06 tce/д.н.). В Океании (в Австралии, Новой Зеландии и в островных
государствах Тихого океана) он был почти в три раза, а в Европе (вместе с
Россией) – вдвое выше среднемирового (рис. 1.5.1). Намного ниже
среднемирового было удельное энергопотребление в Южной Америке, в Азии
(куда, по классификации ООН, относятся и Кипр, Грузия, Армения и
Азербайджан) и в Африке. Особенно высоким было энергопотребление в тех
малых государствах Аравийского полуострова, экономика которых
основывается на интенсивной добыче и энергоемкой переработке нефти.
Первое место среди них занимает Катар, где кроме нефти и нефтепродуктов
производятся минеральные удобрения, цемент и металлы, которые требуют
все большего применения энергии. В промышленно развитых странах
потребление коммерческих видов энергии на душу населения обычно от 2 до 5
раз выше среднемирового уровня. К таким странам относятся США и Канада,
почти все государства – члены Европейского союза и Европейского общего
рынка (в том числе и Эстония), Россия, Япония, Корейская Республика,
Израиль, Южно-Африканская Республика и некоторые другие. В северной части
Европы и Америки увеличение энергопотребления вызывается и
необходимостью отопления зданий. На рис. 1.5.1 представлены все 39 стран, в
которых этот показатель в 2004 году был более, чем вдвое выше
среднемирового. В менее же развитых странах потребление коммерческих
видов энергии на душу населения может быть в несколько десятков или сотен
раз ниже среднемирового. Например, в Чаде, который находится в
Центральной Африке, этот показатель был только 6 kgce на душу населения.
Необходимо отметить, что в статистических ежегодниках ООН за 2004 год произведена
ревизия данных за 2003 год. Поэтому рисунки настоящего русского издания не вполне
сопоставимы с рисунками, приведенными в эстонском издании 2007 года и основанные
на статистическом ежегоднике ООН 2003 года.
36
0
Мир
Северная Америка
Океания
Европа
Южная Америка
Азия
Африка
5
10
15 tce/cap
2,01
7,06
5,33
3,96
1,33
1,28
0,51
47,6
Катар
19,20
Объедин. Арабск. Эмираты
Бахрейн
Кувейт
Тринидад и Тобаго
Люксембург
Бруней
Канада
Норвегия
США
Саудовская Аравия
Нидерланды
Финляндия
Австралия
Исландия
Тайвань
Оман
Бельгия
Россия
Палау
Эстония
Великобритания
Казахстан
Ирландия
Науру
Чехия
Германия
Туркменистан
Австрия
Сингапур
Япония
Новая Зеландия
Дания
Корейская Республика
Италия
Швеция
Израиль
Греция
Кипр
15,34
15,08
14,18
13,87
12,80
12,19
10,58
9,97
8,60
7,98
7,54
7,38
7,02
6,96
6,84
6,20
6,05
5,87
5,49
5,30
5,17
5,17
5,13
5,11
5,10
5,05
4,98
4,97
4,94
Изменения по сравнению
4,93
4,72
с предыдущим годом
4,61
Размер
+
–
4,44
4,42
4,36
4,03
4,03
До 0,2 %
Более 0,2 , до 2 %
Более 2, до 5 %
Более 5 %
Рис. 1.5.1. Потребление коммерческих видов энергии в 2004 году.
Представлены государства, в которых этот показатель более, чем в 2 раза
выше среднемирового
37
Не всегда высокое энергопотребление вызвано энергоемким промышленным
производством, развитым транспортом или холодным климатом. Довольно
часто перерасход энергии обусловлен расточительным потреблением энергии
(например, на транспорте) и большими потерями энергии. Чтобы оценить
рациональность расходования энергии, потребление энергии сравнивают со
стоимостью валового внутреннего продукта страны на душу населения. На рис.
1.5.2 представлен этот показатель для тех 36 государств, где он не менее, чем
в 2 раза выше среднемирового, а на рис. 1.5.3 – связь между потреблением
энергии и стоимостью валового внутреннего продукта на душу населения в 158
государствах мира. Рисунок 1.5.3 свидетельствует о весьма большом разбросе
этого соотношения по обе стороны некоторой условной средней линии,
обозначенной на рисуке зеленым цветом.
Валовым внутренним продуктом (ВВП) называется рыночная стоимость всех конечных
(то есть предназначенных для непосредственного употребления) товаров и услуг,
произведенных за год во всех отраслях народного хозяйства на территории
государства для потребления, экспорта и накопления, вне зависимости от
национальной принадлежности использованных факторов производства. ВВП является
главным индикатором национальной экономики и рассчитывается как сумма объемов
потребления, инвестиций, государственных расходов и экспорта. Импорт не
учитывается. ВВП определяется в валюте данной страны, но для сравнения ВВП
разных стран между собой приводится к некоторой общей валюте, в качестве которой в
настоящее время принят доллар США.
Так как ВВП зависит от структуры экономики страны и особенностей
внутреннего рынка, то формальное сравнение различных стран между собой по
потребленю энергии на единицу ВВП не было бы корректным. На рисунках 1.5.2
и 1.5.3 ясно прослеживается относительно большой удельный расход энергии в
странах, производящих дешевое сырье, и малый удельный расход энергии в
странах, производящих дорогую высокотехнологичную продукцию и
оказывающих дорогие услуги. При определении показателей реального роста
ВВП следует учитывать как изменение покупательной способности
национальной валюты, так и изменение курса той валюты (в данном случае –
доллара США), по которой сравнивается стоимость валового внутреннего
продукта разных стран.
Данные о стоимости валового внутреннего продукта государств взяты из ежегодника
немецкого издательства Фишер (Fischer) на 2007 год [1.21]. На рис. 1.5.3 не
представлены некоторые малые государства (с населением менее 300 000 человек) с
особой структурой народного хозяйства, а также государства, по которым данные по
ВВП или энергопотреблению не опубликованы.
На рис. 1.5.4 представлен расход коммерческих видов энергии на единицу
стоимости валового внутреннего продукта в государствах, где потребление
коммерческих видов энергии на душу населения по меньшей мере в 2 раза
выше, чем в среднем в мире. Как уже сказано, при производстве дорогой
высокотехнологической продукции и оказании дорогих услуг этот показатель
меньше, а при производстве сырьевых материалов и при дешевых услугах –
больше. В Эстонии этот показатель в 2004 г. был еще выше, чем в среднем по
Европе или в мире, что, в первую очередь, объясняется дешевизной многих
видов продукции и услуг.
38
0
10 000
Мир
Северная Америка
Океания
Европа
Южная Америка
Азия
Африка
20 000
30 000
40 000 $/cap
6 470
26 880
24 720
19 650
3 220
2 730
70 810
900
Люксембург
Норвегия
Швейцария
Дания
Ирландия
54 480
48 450
44 710
44 620
42 200
Исландия
США
Швеция
Катар
Япония
39 880
38 530
36 380
36 180
Австрия
Нидерланды
Финляндия
Великобритания
Франция
36 000
35 560
35 550
35 480
33 900
Бельгия
Германия
Австралия
Канада
Италия
33 810
33 210
31 690
30 590
29 190
Сингапур
Новая Зеландия
Испания
25 190
24 370
24 360
24 120
22 650
Объед. Арабск. Эмир.
Кувейт
Кипр
Греция
Багамские Острова
Бруней
Израиль
20 560
18 550
17 510
17 300
17 190 Реальные изменения по сравнению
Словения
Португалия
Бахрейн
Тайвань
16 090
15 970
15 290
14 200
14 140
13 300
Корейская Республика
Мальта
Эстония
8 330
с предыдущим годом
Размер
+
–
До 0,2 %
Более 0,2 , до 2 %
Более 2, до 5 %
Более 5 %
Рис. 1.5.2. Стоимость валового внутреннего продукта на душу населения
в 2004 году. Представлены государства, в которых этот показатель не
менее, чем в 2 раза выше среднемирового
39
40 000
kgce/cap
30 000
9
w
24
20 000
Северная Америка
Океания
59
6 000
91
99
4 000
94
89
125
3 000
113
101
2 000
90
105
92
98
88
93
119 112
103
109
117
Африка
1 000
800
140
113
120
100
114
400
136
119
131
138
141
151
132
145 143
149
157
30
122
146
156
152
111
128
37 30
26
83
77 62
200
16
14 10
21
20
11 8
80
87
6
5
4
3
51
74
Азия
78
81
85
107
106
105
134 129
139
135
137
126
100
13
35
31 27 23 17 15
58
47 44
39
66 55
28
46
71 75
43 36
63 60
50
Европа
32
67
73
57 49 45
Мир
72 64
82
57 48
85
Южная Америка
53
65
69
84
56
68 61
k sm
10
8
12
116
130
142
148
133
150
158
22
102
118
123
117 109
145
147
155
40
124
144
154
34
97
200
153
110
1
2
7
18
54 52
79 76
86
108
41
Эстония
70
94
121 115
300
95
96
99
104
127
600
20
29
38
8 000
60
25
19
40
10 000
100
80
33
400 600 800 1000
2000
4000
10 000
20 000 40 000
60 000 $/cap
Рис. 1.5.3. Соотношение потребления на душу населения коммерческих
видов энергии w и стоимости валового внутреннего продукта ksm
в 2004 году. Пояснения к цифровым обозначениям приведены
в табл. 1.5.1
40
Таблица 1.5.1. Цифровые обозначения, использованные на рис. 1.5.3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
Люксембург
Норвегия
Швейцария
Дания
Ирландия
Исландия
США
Швеция
Катар
Япония
Австрия
Нидерланды
Финляндия
Великобритания
Франция
Бельгия
Германия
Австралия
Канада
Италия
Сингапур
Новая Зеландия
Испания
Объед. Ар. Эмираты
Кувейт
Кипр
Греция
Багамские Острова
Бруней
Израиль
Словения
Португалия
Бахрейн
Тайвань
Корейская Республ.
Мальта
Чехия
Саудовская Аравия
Венгрия
Тринидад и Тобаго
Оман
Эстония
Хорватия
Словакия
Мексика
Литва
Польша
Ливан
Латвия
Чили
Габун
Ливия
Маврикий
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
Малайзия
Южно-Афр. Республ.
Панама
Турция
Венесуэла
Россия
Аргентина
Уругвай
Коста-Рика
Румыния
Ямайка
Бразилия
Болгария
Сербия и Черногория
Куба
Тунис
Казахстан
Македония
Алжир
Таиланд
Перу
Суринам
Иран
Албания
Эль-Сальвадор
Беларусь
Экуадор
Гватемала
Босния и Герцеговина
Колумбия
Доминиканская Респ.
Иордания
Кабо-Верде
Марокко
Китай
Украина
Ирак
Туркменистан
Сирия
Ангола
Парагвай
Индонезия
Грузия
Республика Конго
Египет
Гондурас
Филиппины
Азербайджан
Шри-Ланка
Армения
Боливия
Корейская НДР
Камерун
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
Берег Слонов. Кости
Никарагуа
Бутан
Папуа – Нов. Гвинея
Сенегал
Монголия
Индия
Пакистан
Йемен
Коморские Острова
Молдова
Судан
Нигерия
Вьетнам
Мавритания
Бенин
Кения
Замбия
Узбекистан
Чад
Кыргызстан
Лаос
Гаити
Гвинея
Гана
Бангладеш
Буркина-Фазо
Восточный Тимор
Мали
Зимбабве
Камбоджа
Того
Центр.-Африк. Респ.
Таджикистан
Мозамбик
Танзания
Мьянма
Гамбия
Непал
Уганда
Мадагаскар
Нигер
Эритрея
Руанда
Сьерра-Леоне
Афганистан
Гвинея-Бисау
Либерия
Малави
Демокр. Респ. Конго
Эфиопия
Бурунди
41
0
0,5
Мир
Европа
Океания
Северная Америка
Южная Америка
Азия
Африка
2,5 kgce / $
0,20
0,22
0,26
0,41
0,47
0,57
0,11
0,12
0,12
0,14
0,14
Великобритания
Италия
Германия
Исландия
Бельгия
0,15
0,15
0,15
0,17
0,18
Норвегия
Люксембург
Кипр
Сингапур
Новая Зеландия
0,19
0,20
0,20
0,20
0,20
Финляндия
Греция
Нидерланды
Австралия
США
0,21
0,22
0,22
0,23
0,25
Эстония
Кувейт
Оман
Бруней
2
0,31
Дания
Швеция
Ирландия
Япония
Австрия
Израиль
Корейская Республ.
Канада
Чехия
Тайвань
1,5
1
0,25
0,29
0,40
0,49
0,49
0,66
0,67
0,71
0,74
0,80
0,82
0,92
Объед. Арабск. Эмираты
Саудовская Аравия
Палау
Катар
Науру
Бахрейн
1,24
1,27
1,34
1,47
1,50
Тринидад и Тобаго
Россия
Казахстан
Туркменистан
1,90
3,92
Рис. 1.5.4. Потребление коммерческих видов энергии на единицу
валового внутреннего продукта в 2004 году в странах,
представленных на рис. 1.5.1
42
Потребление электроэнергии на душу населения в 2004 г. составляло в
среднем в мире 2,70 MWh. Этот показатель в Северной Америке, Океании и
Европе был также намного выше, чем в Южной Америке, Азии и Африке.
Особенно высок он, как зафиксировано, в странах, где дешевую гидроэнергию
можно использовать не только в энергоемких производственных процессах и на
электрифицированных железных дорогах, но и для отопления зданий (в
Исландии, Норвегии, Канаде, Швеции). В Европейском Союзе (в том числе в
Эстонии) и в промышленно развитых регионах мира, а также в странах –
производителях нефти электропотребление на душу населения в 2...6 раз
превышало среднемировой уровень. 40 стран, где этот показатель более чем в
2 раза превышал среднемировой, представлены на рис. 1.5.5. Как уже сказано,
высокое удельное электропотребление может быть вызвано




электроемкими производственными процессами в промышленности
(в металлургии, в электрохимической промышленности и т. п.),
широкомасштабной электрификацией железных дорог и городского
транспорта,
высоким уровнем электрификации всех отраслей народного хозяйства,
а также быта,
широким применением электрического отопления.
Удельное потребление электроэнергии в какой-либо стране может однако
увеличиваться


из-за производства электроэнергии на экспорт, так как соответствующий
увеличенный расход электроэнергии на собственные нужды электростанций
и на дальнюю передачу электроэнергии учитывается как
внутригосударственное электропотребление,
из-за нерационального расходования и больших потерь электроэнергии.
Относительно высокое электропотребление на душу населения в Эстонии
объясняется прежде всего довольно высоким уровнем электрификации
народного хозяйства и быта. До восстановления независимости, с 1960 по 1990
годы, большое влияние имел и экспорт электроэнергии (до 60 % ее
производства) в Ленинградскую и Псковскую области России, а также в Латвию,
что соответственно увеличивало расход электроэнергии на собственные нужды
электростанций и на передачу электроэнергии по межсистемным линиям
высокого напряжения.
Энергетика Эстонии, как и другие отрасли народного хозяйства, развивалась в 1930-х
годах весьма быстрыми темпами (см. рис. 1.4.5). В 1939 г. производство электроэнергии
в 10 раз превысило уровень 1919 года. В 1940 г. развитие остановилось; сказались
разрушения во время войны, однако довоенный уровень был восстановлен уже в 1946
году. Быстрое развитие энергетики продолжалось и во время нахождения Эстонии в
составе СССР, причем, особенно большое значение имело сооружение двух крупных
сланцевых электростанций, предусмотренных для усиления электроснабжения всей
северо-западной части СССР: в 1946–1978 годах производство электроэнергии
увеличилось в 100 раз. После восстановления независимости экспорт электроэнергии в
Россию практически прекратился, и уровень как производства, так и потребления ее за
последние 10 лет был почти стабильным. Заметный подъем производства начался в
2003 году.
Есть страны, в которых электрификации почти нет и где потребление
электроэнергии на душу населения в несколько сотен раз ниже среднемирового. В Чаде, например, этот показатель в 2004 г. составлял всего 11 kWh.
43
0
Мир
Северная Америка
Океания
Европа
Южная Америка
Азия
Африка
5
10
15
20 MWh/cap
2,70
10,02
8,85
5,45
2,15
1,59
0,62
Исландия
29,43
Норвегия
Катар
Канада
Финляндия
Швеция
Люксембург
Кувейт
США*
Объед. Арабск. Эмираты
Бахрейн
Австралия
Новая Зеландия
Бельгия
Бруней
Сингапур
Швейцария
Палау
Япония
Австрия
Франция
Тайвань
Корейская Респ.
Германия
Словения
Нидерланды
Дания
Багамские Острова
Израиль
Саудовская Аравия
Великобритания
Ирландия
Чехия
Россия
Испания
Эстония
Италия
Кипр
Греция
Мальта
26,66
19,54
18,41
17,37
16,67
16,63
15,42
14,24
12,00
11,93
11,85
10,24
8,97
8,84
8,68
8,67
8,54
8,46
8,26
8,23
8,05
7,72
7,44
7,26
7,20
6,97
6,96
6,92
6,90
6,76
6,75
Изменения по сравнению
6,72
с предыдущим годом
6,42
Размер
+
–
6,41
6,17
До 0,2 %
6,03
Более 0,2 , до 2 %
5,72
Более 2, до 5 %
5,63
Более 5 %
5,54
Рис. 1.5.5. Потребление электроэнергии на душу населения в 2004 г.
Представлены государства, в которых этот показатель по меньшей мере
в 2 раза выше среднемирового
* Без учета собственных нужд электростанций
44
Литература
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
1.14
1.15
1.16
1.17
1.18
1.19
1.20
1.21
Risthein, E. Sissejuhatus energiatehnikasse. – Tallinn: Elektriajam, 2007. –
260 lk.
Aristoteles. Philosophische Werke / Band I: Über die Dichtkunst. – Metaphysik.
– Leipzig: Verlag von Felix Meiner, 1921. – 438 S.
Einstein, A. Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?
// Annalen der Physik. Vierte Folge 18 (1905), Heft 13, S. 639…641.
ISO 1000. SI-units and recommendations for the use of their multiples and of
certain other units.
ГОСТ 8.417–2002. Единицы величин.
EN 60027-1:2006. Letter symbols to be used in electrical technology – Part 1:
General
www.sizes.com/units/horsepower.htm
Schaefer, H.; Philippi, K. Der Energiehaushalt der Erde // Brennstoff, Wärme,
Kraft 25 (1973), Nr. 9, S. 361…365.
Araki, T. et al. Experimental investigation of geologically produced
antineutrinos with KamLAND // Nature 436 (2005), No. 7050 (28.7.2005),
pp. 409…503.
Chronik der Menschheit. – Gütersloh/München: Chronik Verlag, 1997. –
1148 S.
Ewe, T. Zum Werfen geboren // bild der wissenschaft 2007, Nr. 8, S. 20…26.
Goren-Inbar, N.; Alperson, N.; Kislev, M. E.; Simchoni, O.; Melamed, Y.;
Ben-Nun, A. Evidence of hominin control of fire at Gesher Benot Ya’agov,
Israel // Science 304 (2004) No. 5671 (30.4.2004), pp. 725…727.
Knecht, S. Partnerschaft Mensch und Baum // Technische Rundschau 64
(1972), Nr. 23, S. 1.
Сассин В. Грани перемен // Курьер ЮНЕСКО 34 (1981), № 8, с. 9...12.
Ewe, T. Durch Mutation in die Moderne // bild der wissenschaft 2002, Nr. 7,
S. 22…28.
Paturi, F. R. Chronik der Technik. – Gütersloh/München: Chronik Verlag, 1997.
– 640 S.
Крамер С. Н. История начинается в Шумере. – Москва: Наука, 1965. –
256 с.
Juske, A. Vesiveskid [‘Водяные мельницы‘]. – Tallinn: Valgus, 1993. – 224 lk.
Mida jutustab Jägala juga [‘О чем рассказывает Ягалаский водопад‘] // Waba
Maa 27.10.1931, lk. 7.
2004 Energy Statistics Yearbook. – New York: United Nations, 2007. – 620 p.
Der Fischer Weltalmanach 2007. – Frankfurt am Main: Fischer Taschenbuch
Verlag, 2006. – 832 S.
45