Возможно, что утверждение, что без альтернативных источников энергии у человечества нет будущего, является слишком категоричным, но это только лишний раз подчёркивает необходимость их поиска, исследования и внедрения.

Энергосбережение. Цена вопроса

Часть 1. Источники энергии

Сулейман Левинзон

С развитием технологий современный мир нуждается во все большем количестве энергоресурсов, однако среди источников энергии по-прежнему львиная доля принадлежит таким источникам, как нефть, газ и каменный уголь, запасы которых не безграничны. Основной альтернативой углеводородам являются вода, ветер, Солнце, — все они способны бесперебойно предоставлять человеку экологически чистую и фактически неисчерпаемую энергию. Однако доля возобновляемых источников пока еще не так велика вследствие высокой стоимости и сложности преобразующих установок. Поэтому огромное значение приобретает совершенствование энергосбережения. Но жизнь не стоит на месте, ей свойственны, как и всему изменяющемуся, свои приливы и отливы. Вместе с тем следует отметить, что без альтернативных источников энергии — у человечества нет будущего. Энергосберегающие технологии — довольно широкое понятие. К ним относятся новые или усовершенствованные технологические процессы, характеризующиеся более высоким коэффициентом полезного использования топливно-энергетических ресурсов. Прежде, чем рассматривать возобновляемые источники энергии, нужно разобраться с теми, что не возобновляются. Положение дел в добыче нефти, газа, угля поможет определить правильную (или наиболее рациональную) стратегию использования воды, ветра, Солнца и других источников возобновляемой энергии. Обычную нефть, добываемую традиционными способами, с каждым десятилетием извлекать на поверхность становится всё труднее и труднее. Скважины становятся всё глубже и «холоднее» (речь идёт, например, о добыче «арктической нефти», нефти из глубоководных шельфов). Ориентировочные запасы нефти можно представить следующей диаграммой (рис.1) [1].

Рис.1. Мировые запасы нефти.

Официальные и экспертные прогнозы [2] при анализе перспектив цены на нефть включают в себестоимость нефти все предельные издержки, то есть все то, что нужно затратить на разведку и разработку нового месторождения. Согласно их расчётам себестоимость (предельные издержки) нефти составляют от 80 до 110 долларов и потому «цена не может быть ниже 90». Эта себестоимость, безусловно, важна в долгосрочном плане. При нынешних ценах разработка новых месторождений в США, Канаде и многих других местах действительно когда-нибудь прекратится и это приведет к новому витку роста цен. Главное, когда это произойдет.

Это зависит от того, насколько долго будет поступать нефть из уже разрабатываемых месторождений и сколько новых месторождений уже в процессе разработки, которую останавливать еще менее рентабельно, чем продолжать, даже при этих или еще более низких ценах. Из традиционных месторождений качают нефть до 20 лет, но этот цикл может уменьшаться. Тогда определяющим фактором будут не совокупные предельные издержки, а переменные предельные издержки. Это то, что необходимо, чтобы покрывать издержки добычи и доставки потребителю нефти из уже разработанных месторождений и они намного ниже. Это тот уровень цен, при котором производство на уже действующих месторождениях будет приостанавливаться.

Часто в специальных изданиях и средствах массовой информации используется выражение, что сланцевая нефть — энергоресурс будущего, что она — альтернатива традиционной нефти. Запасы горючего сланца, из которого сегодня добывают сланцевую нефть и газ, образовались около 450 миллионов лет назад на дне доисторического моря из минеральных и органических частей (керогена), сформировавшегося из остатков растений и живых организмов. От его «исходного материала» зависит и полезное ископаемое, которое можно получить в результате разработки его месторождения. Из 1-го и 2-го типов керогена из остатков простейших водорослей или из примеси наземных и морских растений, при нагреве образуются жидкие углеводороды — смола, близкую по составу нефтяным углеводородам. Ее-то и называют сланцевой нефтью. А из 3-го, возникшего из древесных пород наземного происхождения, получают газообразные углеводороды — сланцевый газ.

Горючего сланца на порядок больше, чем открытых месторождений традиционной нефти. По нынешним подсчетам[3], общие объемы сланцевых запасов составляют порядка 650 трлн. тонн, из которых можно получить до 26 трлн. тонн сланцевой нефти. Это в 13 раз больше, чем запасов традиционной нефти. При нынешнем уровне потребления такого количества хватит еще на 300 лет постоянной добычи. Но не все так просто. По данным компании Shell, разработка экономически целесообразна лишь на самых богатых сланцевых месторождениях, с содержанием нефти от 90 литров на тонну сланца и толщиной пласта не менее 30 метров. Лишь треть мировых запасов подходит под данные критерии. Большая их часть,— около 70% (24,7 трлн. т сланцевой нефти) находится в США. Россия занимает твердое второе место — в нашей стране около 7% запасов сланцевой нефти. При этом, по мнению Управления энергетической информации США (EIA), запасы России наиболее перспективны из-за условий добычи.

Сланцевый газ представляет собой третий тип керогена , возникшего из древесных пород наземного происхождения, т.е. получают газообразные углеводороды . Добыча сланцевого газа практически аналогична добыче сланцевой нефти и предполагает горизонтальное бурение и гидроразрыв пласта. Горизонтальная скважина прокладывается через слой газоносного сланца. Затем внутрь скважины под давлением закачиваются десятки тысяч кубометров воды, песка и химикатов. В результате разрыва пласта газ по трещинам поступает в скважину и далее на поверхность,

Каменный уголь среди полезных ископаемых занимает особое место[4].Именно он послужил основным топливом в период начальной индустриализации развитых стран, когда технологий эффективного использования жидких и газообразных топлив ещё не существовало. В каком-то смысле он явился фундаментом современной технической цивилизации. Основные запасы каменного угля были образованы на планете, когда древние растения уже выработали способность формировать твердые древесные стволы, а различные грибки, плесени и иные сапрофиты еще не приобрели способность разлагать древесину. По мере того, как органика разлагалась без доступа кислорода, она превращались в каменный уголь, а наиболее глубоко захороненная превращалась и в антрацит. Более молодой бурый уголь формировался из мелких болотных растений в более поздний период и продолжает формироваться ныне из погребенного под землёй торфа.

Угольные бассейны образуются на месте древних лесов и болот там, где тектонические процессы способствовали их погребению под землёй. И если наложить географию угольных бассейнов на современный мир, то мы можем убедиться, что его крупнейшие запасы находятся в регионах планеты, где находились и продолжают находиться наиболее технически развитые государства и страны – США, европейские страны, Россия, Китай. В первую очередь в районах каменноугольных бассейнов развивалась металлургическая промышленность, так как близость к ним облегчала снабжение этой промышленности и энергией, и реагентом-восстановителем для получения металла; и то, и другое получалось из угля. В XIX-первой половине XX века эти регионы стали ядрами, вокруг которых формировалась вся остальная промышленность развитых стран.

Существует много современных технологий переработки каченного угля [4]. Одна из них — так называемая OxyFuel, при которой каменный уголь сжигается в чистом кислороде. Т.е. достигается полное сгорание угля и гарантируется меньшее содержание в топочных газах продуктов неполного сгорания (моноксида углерода и др.). Достаточно совершенной является такая технология, как Precombustion. Это более совершенный способ газификации угля, чем переработка его в водяной газ, практиковавшаяся с середины прошлого столетия. В ней энергия угля используется для того, чтобы отщеплять от воды кислород и превращать ее в водород — идеальное, экологически чистое топливо; сам же уголь превращается в диоксид углерода, который легко отделяется и сжижается. Первое место по части разработки технологий использования продуктов сгорания угля занимает Германия. Две крупных немецких компании — RWE и Vattenfall — c 2008 года разрабатывают проекты угольных электростанций с нулевым уровнем выброса диоксида углерода и других вредных продуктов сгорания угля.

Разработанные ими технологии подходят для безопасного сжигания как каменного, так и бурого угля.

Возможно, что утверждение, что без альтернативных источников энергии у человечества нет будущего, является слишком категоричным, но это только лишний раз подчёркивает необходимость их поиска, исследования и внедрения в повседневную жизнь. В конечном итоге, результативность энергосберегающих технологий определяет их жизненность. Можно отметить следующие особенности результативности энергосберегающих процессов, проявляющихся в виде:

— экономических эффектов у потребителей (снижение стоимости приобретаемых энергоресурсов);
— эффектов повышения конкурентоспособности (снижение потребления энергоресурсов на единицу производимой продукции, энергоэффективность производимой продукции при ее использовании);
— эффектов для электрической, тепловой, газовой сети (снижение пиковых нагрузок, минимизация инвестиций в расширение сети);
— экологических эффектов;
— связанных эффектов (внимание к проблемам энергосбережения приводит к повышению озабоченности проблемами общей эффективности системы — технологии, организации, логистики на производстве, системы взаимоотношений, платежей и ответственности в жилищном секторе, отношении к домашнему бюджету у граждан).

Возобновляемые источники (ВИЭ) можно представить, как изображено на рис.2 [5].

Рис.2. Виды возобновляемых источников энергии.

В мировом энергетическом балансе доля носителей для традиционной энергетики сегодня составляет порядка 74%. При современном уровне потребления открытых запасов нефти хватит на 40 лет, газа — на 56 лет, угля — на 197 лет. Что касается других источников энергии, то на возобновляемые (в основном на биомассу и гидроэнергию) приходится 19,5%, а на ядерную энергию — 6,3% [6].

Согласно прогнозу Мирового Энергетического Совета (МИРЭС), на долю альтернативных источников энергии в 2020 г. будет приходиться 1150 — 1450 млн. тонн условного топлива (5,6 — 5,8% общего энергопотребления). При этом прогнозируемая доля их отдельных видов составит: биомасса — 35%, солнечная энергия — 13%, гидроэнергия — 16%, ветроэнергия — 18%, геотермальная энергия — 12%, энергия океана — 6%. К 2030 г. альтернативные источники могут дать энергию, эквивалентную 50 — 70% современного уровня потребления энергии [7].

Все виды преимуществ и недостатков возобновляемых источников энергии можно свети в определённые таблицы [8].

Отдельно остановимся на такой перспективном виде биотоплива, как морские водоросли [9]. Это действительно возобновляемый и колоссальный резерв. Он соответствует повышенным экологическим требованиям, его не нужно выращивать, затрачивая дополнительные средства, просто поддерживать плантации в порядке. Водоросли, кроме большой массы выхода с одного квадратного метра площади, дают до 50% готового топлива с единицы продукции, что значительно больше, чем у наземных растений. С точки зрения биологии — это водный организм, который может состоять из одной клетки размером с миллионную часть метра. Но существуют и многоклеточные водоросли-гиганты, достигающие длины 40 метров. Содержание в их составе хлорофилла обуславливает возможность выработки веществ путем поглощения кислорода и преобразования его в органический углерод, являющийся основной формой биологических существ на нашей планете.

Большое значение имеет развитие ветроэнергетики[10]. Опубликован новый энер­гетический сценарий ЕС, согласно которому к 2020 г. на долю ветроэнергетики в ЕС будет приходиться 136 ГВт установленной мощности электроэнергии, это 41% всех новых энергоге­нерирующих установок (ВЭУ). Установленная мощ­ность уже построенного ветропарка ЕС достигла к концу 2010 г. 86,3 ГВт, всего же в мире мощ­ность ветроэнергетических электростанций (ВЭС) составляет 197 ГВт. Впервые на первом месте по суммарному ко­личеству установленных мощностей ветряных электростанций в 2010 г. оказался Китай, обо­гнав традиционных лидеров ветроэнергетики — США и Германию.

Доля стран-лидеров ветроэнергетики в суммар­ной установленной мощности ВЭУ на конец 2010 г. представлена на рис.3. Сведения по суммарной установленной мощности ВЭС по ряду стран мира и суммарных установленных мощностей погодам приведены в [10].

Рис 3. Доля стран-лидеров ветроэнергетики в суммар­ной установленной мощности ВЭУ

Имеются три основные движущие силы, заставляющие страны использовать возобновляемые источники энергии:
— энергетическая безопасность, направленная на обеспечение независимости от стран — экспортеров энергоресурсов;
— экологическая безопасность, связанная с беспокойствами по поводу глобального изменения климата. Источники возобновляемой энергии дают возможность обеспечивать энергетические потребности, сокращая при этом выбросы парниковых газов в атмосферу;
— себестоимость возобновляемых источников энергии, которая должна сокращаться по мере совершенствования энергосберегающих технологий.
Во второй части рассмотрим состояние и перспективы энергосбережения в области электроэнергетики, к которой автор настоящей статьи имеет прямое отношение.

Список литературы

1. Горючие сланцы и сланцевая нефть. Новая жизнь старых запасов? (23.1.2014).
2. Явлинский Г. Нефть может упасть в цене до 20 долларов за баррель (25.02.2015).
3. Что нужно знать о сланцевой нефти  (15.012015).
4. Перспективы мировой угледобычи (04.04.2015).
5. Фортов В.Е., Попель О.С. Возобновляемые источники энергии для энергоснабжения потребителей в России. Энергетический вестник. № 1(8),2010.-С.9–28.
6. Волостнов Б.И., Поляков В.В., Косарев В.И. Энергосберегающие технологии и проблемы их реализации (15.04.2015).
7. Энергосбережение и энергосберегающие технологии, приводящие к экономии электроэнергии (26.02.2015)
8. Левинзон С.В. Что нового в энергосберегающих технологиях. Международный журнал экспериментального образования. М.: №5 (часть 1), 2015— С.-78-80.
9. Шейдина О. Морские водоросли, как перспективное биотопливо.Ч.1, Ч.2 (18.04.2015).
10. Мировой опыт в освоении энергии ветра. Редакция журнала «Энергосовет»,№ 4(17), 2011, С.51–57 (21.04.2015).