Книга 5. Электроэнергетика и охрана окружающей среды. Функционирование энергетики в современном мире
3.1. Перспективные энергетические технологии как фактор устойчивого развития энергетики
На сегодня имеется большое число работ, посвященных оценке вероятных направлений будущего развития экономики и энергетики мира.
Одни из них основаны на беспристрастном анализе действующих тенденций и глубинных закономерностей, свойственных энергетике мира. Другие имеют целевой характер. Они подчинены выработке стратегических целей и определению рациональных мер для конкретных субъектов – заказчиков прогноза. Прогнозные разработки целевого характера выполняются, как правило, многими отраслевыми организациями, например МАГАТЭ, ассоциациями крупных международных топливных компаний, экологическими организациями. Они направлены преимущественно на обоснование возможностей «максимальных» сценариев развития соответствующих отраслей энергетики и имеют целью пропаганду преимуществ такого развития.
Более взвешенные целевые прогнозы разрабатывают специализированные консультативно-аналитические правительственные организации, например Энергетическая информационная служба администрации президента США, международные аналитические центры, например Международное энергетическое агентство – консультативноаналитический центр ОЭСР, Секретариат ОПЕК, аналитические службы крупных международных финансовых организаций – МВФ, Мирового банка, Европейского банка реконструкции и развития.
Прогнозы, выполняемые данными организациями, тесно связаны между собой и представляют особый интерес, поскольку по сути задают содержание согласованной финансово-экономической и военно-политической международной политики развитых стран мира. Прогнозные разработки Международного энергетического агентства, наиболее признаваемые в мире, содержат проработки трех основных сценариев развития энергетики мира.
Основной (базовый) сценарий основан на предположении о том, что будущее развитие мировой энергетики будет продолжать современные тенденции, закрепленные в политических документах, программах и соглашениях, принятых до 2008 года. Он позволяет выявить главные «болевые точки», определяющие потенциальную неустойчивость глобального развития, и поставить цели, способные устранить возникающие препятствия.
Два дополнительных сценария глобального развития представляют собой углубленные разработки рациональных направлений достижения поставленных целей и постановку конкретных политических задач, обеспечивающих достижение целей, поставленных при анализе базового сценария.
Основные результаты прогнозов по базовому сценарию МЭА представлены ниже.
На основе изучения перспектив роста мирового и региональных ВВП в базовом сценарии дан прогноз динамики объемов и структуры мирового потребления первичной энергии. Предполагается, что мировой спрос на первичные энергоресурсы будет ежегодно увеличиваться в среднем на 1,6% в 2006– 2030 гг. с 11730 млн. тонн нефтяного эквивалента (млн. т н.э.) до чуть более 17010 млн. т н.э., т.е. рост составит 45%.
Следует отметить, что динамика предполагаемого роста потребления энергии, как это видно из рис. 3.1, существенно обгоняет темпы роста населения мира, определяемые прогнозом ООН, и, соответственно, прогнозы спроса на энергию, основанные на предположении академика РАН Макарова А.А. о примерном постоянстве душевого потребления энергии в мире. Данное несоответствие
объясняется тем, что базовый прогноз МЭА представляет собой одну из рабочих версий, намеренно не учитывающую возможные изменения политических решений, принятых в период, предшествующий финансовому кризису 2008–2010 гг.
Как показывает прогноз вероятной структуры потребления энергии (рис. 3.2), доля ископаемого топлива в 2030 году составит
около 80% в мировом балансе первичных энергоресурсов, что несколько меньше, чем сегодня.
Нефть останется доминирующим видом топлива, хотя спрос на уголь в абсолютном выражении вырастет больше, чем на любой другой вид топлива. Мировой первичный спрос на нефть (за исключением биотоплива) будет ежегодно увеличиваться в среднем на 1% – с 85 млн. баррелей в день в 2007 г. до 106 млн. баррелей в день в 2030 г. Однако доля нефти в мировом потреблении энергии снизится с 34 до 30%.
Мировой спрос на природный газ отличается более быстрыми темпами роста – 1,8% в год, а его доля в суммарном спросе на первичную энергию повысится до 22%. Основной рост потребления газа приходится на сектор электроэнергетики.
Среднегодовые темпы роста спроса на уголь составят 2%, а его доля в мировом спросе на энергию увеличится с 26% в 2006 году до 29% в 2030 году. Около 85% роста мирового потребления угля будут приходиться на электроэнергетический сектор Китая и Индии.
Доля атомной энергии в мировом спросе на первичную энергию незначительно снизится – с 6% на сегодняшний день до 5% в 2030 году, а ее доля в производстве электроэнергии упадет с 15 до 10%. Доля атомной энергии, тем не менее, вырастет в абсолютном выражении во всех основных регионах, кроме европейских стран ОЭСР.
Современные технологии использования возобновляемых источников энергии характеризуются самыми быстрыми темпами развития. В перспективе они могут опередить природный газ и стать вторым по величине источником электроэнергии после угля. Снижение затрат по мере развития технологий возобновляемых источников энергии, предполагаемые высокие цены на ископаемое топливо и сильная политическая поддержка дадут возможность ликвидировать зависимость ВИЭ от субсидий. Высокими темпами (7,2% в год) будут развиваться ВИЭ, не относящиеся к гидроэнергетике, – энергия ветра, солнечная и геотермальная энергия и др. Большей частью этот рост приходится на сектор электроэнергетики.
В целом доля возобновляемых источников энергии (без учета гидроэнергии) в суммарном производстве электроэнергии возрастет с 1% в 2006 году до 4% в 2030 г. Производство гидроэнергии также возрастет, однако доля в производстве электроэнергии уменьшится на 2% до 14% в 2030 году. В странах ОЭСР рост производства электроэнергии из возобновляемых источников превысит суммарный рост производства электроэнергии из ископаемого топлива и атомной энергии.
Что касается прогноза региональной структуры потребления энергии, то ввиду продолжающегося быстрого экономического роста на Китай и Индию в период с 2006 по 2030 годы придется чуть более половины мирового роста спроса на первичную энергию.
Страны Ближнего Востока усилят свою позицию важного центра спроса, что прибавит еще 11% к растущему мировому спросу. В сумме на страны, не входящие в ОЭСР, придутся 87% роста и их доля в мировом спросе на первичную энергию возрастет с 51 до 62%. Потребление энергии в этих странах будет большим, чем энергопотребление в странах ОЭСР в 2005 году.
Весь прогнозируемый рост мирового спроса на нефть приходится на страны, не входящие в ОЭСР (более четырех пятых суммарного роста – на Китай, Индию и Ближний Восток). Спрос на нефть в странах ОЭСР несколько уменьшится в основном из-за снижающегося потребления внетранспортного сектора.
Финансовое обеспечение развития энергетики по базовому сценарию столкнется с определенными трудностями, поскольку потребуются значительные инвестиции в энергетическую инфраструктуру.
Потребность в накопленных инвестициях за период 2007–2030 гг. составит 26 трлн. дол. (в ценах 2007 г.), из них на сектор электроэнергетики – 13,6 трлн. дол., или 52% общей суммы. Остальная часть инвестиций потребуется в основном для развития нефтегазового сектора. Львиная доля этих средств необходима на разведку и разработку месторождений в странах, не входящих в ОЭСР. Текущий финансовый кризис по прогнозам не должен повлиять на долгосрочные инвестиции, но может привести к задержкам в завершении текущих проектов, особенно в секторе электроэнергетики.
Чуть более половины прогнозируемых мировых инвестиций в энергетику в 2007–2030 гг. потребует поддержание существующего уровня производства, поскольку значительная часть существующей в мире инфраструктуры для поставок нефти, газа, угля и электроэнергии к 2030 году будет нуждаться в замене.
Базовый прогноз МЭА основывается на предполагаемой средней цене на импорт сырой нефти в страны ОЭСР на уровне 100 долларов США за баррель (в ценах 2007 г.) и более 120 долларов в 2030 г. Это означает, что в номинальном выражении цены на нефть превысят в 2030 г. 200 долларов за баррель. При этом станут нормой явно выраженные краткосрочные скачки цен, не исключаются и временные резкие их повышения или падения. Усугубление текущего финансового кризиса скорее всего приведет к снижению экономической активности. Это уменьшит спрос на нефть, а следовательно, и цены на нее. Однако после 2015 г. увеличение затрат на добычу вызовет монотонное повышение цен на нефть.
Расходы на нефть стабилизируются на отметке свыше 5% ВВП стран – импортеров при 1 – 4% в 2000–2007 гг. Для стран, не входящих в ОЭСР, эти расходы составят от 6 до 7%. В истории был только один период, когда мир затрачивал столь большую часть своего дохода на нефть. Он пришелся на период нефтяного шока 1980-х, когда расходы на нефть составили свыше 6% мирового ВВП.
С другой стороны, доходы ОПЕК от экспорта нефти и газа резко увеличатся – с менее чем 700 млрд. дол. в 2006 г. до свыше 2 трлн. дол. в 2030 г., а их доля в мировом ВВП возрастет с 1,2 до 2%.
Рост мировой добычи нефти будет обеспечен в основном странами ОПЕК. Их доля в мировых поставках возрастет от 44% в 2007 г. до 51% в 2030 г. Добыча традиционной нефти в странах, не входящих в ОПЕК, приблизительно к середине следующего десятилетия начнет спадать. Прогнозируемый рост мировой добычи нефти напрямую зависит от надлежащего уровня и своевременности инвестиций. В течение 2007–2030 гг. необходимо ввести в действие дополнительные производственные мощности в размере около 64 млн. баррелей в день, что почти в шесть раз превышает сегодняшние производственные мощности Саудовской Аравии. Приблизительно 30 млн. баррелей в день новых мощностей необходимо освоить уже к 2015 г.
Добыча природного газа сконцентрируется в наиболее богатых этим ресурсом регионах. Около 46% прогнозируемого роста мировой добычи природного газа в 2006–2030 гг. приходятся на страны Ближнего Востока. Дополняющий рост мировой добычи большей частью обеспечивается странами Африки и Россией.
Из базового прогноза МЭА следует, что в период 2007–2030 гг. потребность в накопленных инвестициях в разведку и добычу в нефтегазовом секторе составит около 8,4 трлн. дол. (в ценах 2007 года) или в среднем 350 млрд. дол. ежегодно. Большую часть инвестиций предполагается направить на Ближний Восток.
В прогнозе МЭА отмечается, что в секторе разработки и добычи нефтегазовой промышленности все более возрастает роль национальных компаний, доля которых в мировой добыче нефти и газа возрастет до 80%. Это создает определенные трудности для иностранных инвесторов. Решить проблему, по мнению МЭА, позволит партнерство национальных и международных компаний. Взаимные выгоды от такого сотрудничества очевидны. Национальные компании контролируют большую часть мировых запасов, но некоторым из них недостает технологий и квалифицированного персонала. Международным компаниям не хватает возможностей, но у них есть управленческие навыки и технологии, чтобы помочь национальным компаниям в разработке запасов.
Наиболее тревожные выводы базового прогноза МЭА касаются негативных последствий развития энергетики для глобального изменения климата.
Сегодня уже понятно (рис. 3.3), что поставленная международным сообществом цель стабилизации мировых выбросов парниковых газов в период до 2012 года, предусмотренная Киотским протоколом 1997 года, оказалась недостижимой и уровень парниковых выбросов в 2012 году существенно превысит показатель 1990 года.
Рост выбросов парниковых газов в базовом сценарии МЭА приведет к дальнейшему росту содержания парниковых газов в атмосфере. Глобальные выбросы СО 2, связанные с энергетикой, увеличатся с 28 гигатонн (Гт) в 2006 г. до 41 Гт в 2030 г., т.е. рост составит 45%. Мировые выбросы парниковых газов, в том числе не относящихся к энергетике, согласно базовому прогнозу, вырастут с 44 Гт в эквиваленте СО 2 в 2005 г. до 60 Гт в эквиваленте СО 2 в 2030 г., что на 35% больше, чем в 2005 г.
Три четверти прогнозируемого роста выбросов СО 2 объектами энергетики приходятся на Китай, Индию и Ближний Восток и 97% – на страны, не входящие в ОЭСР. Выбросы в странах ОЭСР достигнут пика после 2020 года и затем пойдут на спад. Согласно прогнозам рост глобальных выбросов СО 2, связанных с энергетикой, большей частью придется на города, а их доля в суммарных выбросах в результате урбанизации вырастет с 71% в 2006 г. до 76% в 2030 г.
Ожидается, что реализация базового сценария развития приведет к удвоению современной концентрация СО 2 в атмосфере в течение XXI столетия, вызвав последующее повышение температуры на 6°С. Это существенно выше допустимого порога необратимых изменений климата планеты. В связи с этим прогноз МЭА приводит к необходимости принятия весьма жестких согласованных действий мирового сообщества, направленных на борьбу с глобальным потеплением.
Итоги прогнозных проработок, проведенных МЭА по поручению саммита стран G8, проходившего в 2007 г. в Германии, послужили основой для выработки рамочного соглашения по снижению выбросов парниковых газов в 2013–2050 гг. (посткиотский период), принятого 15 декабря 2008 г. Конференцией ООН по проблеме изменения климата, проходившей на индонезийском острове Бали. Основные пункты рамочного соглашения, получившего название «балийская дорожная карта», состоят в следующем:
- Выбросы снижают все развитые и сильнейшие развивающиеся страны в зависимости от уровня их экономического развития и имеющегося потенциала.
- Предпринимается широкий спектр мер по адаптации к изменению климата.
- Облегчается передача экологически чистых технологий с низкими выбросами парниковых газов.
- Развивающимся странам, прежде всего бедным и наиболее уязвимым в отношении к изменениям климата, оказывается финансовая поддержка.
Рамочное соглашение представляет собой юридическую основу для создания нового международного протокола по сокращению выбросов парниковых газов. Предполагается, что новый международный протокол будет содержать конкретные обязательства отдельных стран по снижению выбросов СО 2. Наиболее важными будут обязательства пяти стран мира, на долю которых приходятся 3/4 мирового выброса углерода КНР, США, ЕС, Индии и России. Количественные параметры ограничений на выбросы СО 2 служат сегодня предметом острых дискуссий, поскольку их принятие может весьма существенно отразиться на темпах и возможных уровнях развития экономики и энергетики стран, подписывающих международный протокол.
Оценки затрат, необходимых для снижения выбросов, выполнены МЭА. Рассмотрены два основных сценария снижения выбросов. Один из них – так называемый сценарий 550 ppm (550 – количество частиц диоксида углерода на миллион частиц воздуха) – предпола
гает, что мировой выброс парниковых газов в течение ближайших 10–15 лет будет возрастать. К 2020 году его величина должна быть стабилизирована на уровне 32 Гт у.э. до середины XXI века. При этом концентрация СО 2 в атмосфере составит в 2050 году 550 ppm, что соответствует повышению температуры планеты на 3°С по сравнению с текущим уровнем (см. рис. 3.3). Сценарий 450 ppm предполагает значительно более жесткие меры по снижению выброса углерода. В период после 2020 года они позволят уменьшить выбросы парниковых газов в 2050 году на 19% по сравнению с уровнем 1990 года. При этом концентрация СО 2 в атмосфере составит около 450 ppm, что соответствует повышению средней температуры Земли на 2°С (рис. 3.4).
По оценкам МЭА необходимый комплекс мер по снижению выбросов СО 2 потребует весьма существенных инвестиций – от 90 долларов (сценарий 550 ppm) до 180 долларов на тонну предотвращенного выброса углерода. Для стран ОЭСР такие затраты приемлемы, поскольку они составят лишь незначительную часть (не более 1–2%) ВВП этих стран. Поэтому развитые страны по оценкам МЭА могут взять на себя обязательства по снижению выбросов СО 2 на 40–45% от уровня 1990 г. уже к 2030 году. Другие промышленно развитые страны мира могут снизить выбросы на 20% от уровня 1990 года (см. рис. 3.4).
Развивающиеся страны и страны с переходной экономикой, которые не могут позволить себе широкое внедрение дорогостоящих низкоуглеродных технологий, должны будут получать для этого внешние инвестиции. Для стран с переходной экономикой, имеющих выбросы ниже уровня 1990 года, такие инвестиции могут быть получены в рамках международного рынка торговли квотами на выбросы СО 2. Для таких стран весьма важен выверенный подход как к своим обязательствам по снижению выбросов в посткиотский период, так и к оценкам максимально возможных предложений квот на выбросы на международном углеродном рынке. Весьма важен также выбор экономически приемлемых низкоуглеродных технологий, поскольку многие из них могут стать для таких стран внешне привлекательным, однако экономически непосильным бременем.
Перспективные энергетические технологии. Основные направления стабилизации и дальнейшего сокращения выбросов парниковых газов по сценарию 450 ppm включают:
- энергосбережение и повышение энергоэффективности в секторах производства и потребления энергии;
- развитие возобновляемых источников энергии;
- развитие ядерной энергетики;
- улавливание и захоронение углекислого газа.
Полномасштабная реализация всех мероприятий в рамках каждого из указанных направлений должна привести к снижению выбросов от 62 до 14 Гт у.э. к середине XXI столетия.
Главная роль в снижении выбросов уделяется повышению энергоэффективности в секторах производства и потребления энергии. Наиболее важная роль отводится при этом энергосбережению в секторе конечного потребления топлива (24% снижения выбросов) и секторе конечного потребления электрической энергии (12%). Повышение эффективности производства энергии и переход на альтернативные низкоуглеродные виды топлива должны обеспечить снижение выбросов на 18%.
Пятую часть выбросов (21%) предполагается сократить за счет масштабного применения возобновляемых источников энергии. Дальнейшее развитие атомной энергетики сократит выбросы углерода на 6%. Весьма существенная роль (19% сокращения выбросов) отводится в сценарии 450 ppm технологиям улавливания и захоронения углекислого газа (CO 2 capture and storage – CCS) в промышленности и производстве энергии.
Следует отметить, что значительная часть технологий снижения выбросов, подлежащих широкому внедрению по сценарию 450 ppm, не освоена в промышленном масштабе и находится на различных стадиях научно-технической разработки от поисковых исследований до опытно-промышленных (демонстрационных) проектов.
В связи с этим важна правильная постановка научно-исследовательских и опытноконструкторских работ по созданию новых и совершенствованию известных технологий низкоуглеродной энергетики, позволяющих достичь требуемого снижения выбросов в необходимые сроки.
Приоритетные направления разработки низкоуглеродных технологий производства и потребления энергии, сформулированные на основе прогнозных оценок МЭА, представлены в табл. 3.1.
Как видно из рис. 3.5, наибольший вклад в выбросы СО 2 дают и будут давать в дальнейшем процессы сжигания нефти и угля – основных ресурсов мобильных и стационарных энергетических установок соответственно. В связи с этим транспорт и электроэнергетика становятся основными объектами приложения усилий по сокращению выбросов углерода.
Основные мероприятия по снижению потребления нефти на транспорте сводятся к повышению эффективности гражданского, грузового и промышленного транспорта, в том числе путем его сертификации, применения присадок низкоуглеродного биотоплива (биодизель, биоэтанол и др.) к основному топливу, промышленного производства электромобилей и автомобилей на топливных элементах.
Таблица 3.1 Перспективные направления разработки низкоуглеродных технологий
Сектор производства энергии |
Сектор потребления энергии |
Технологии производства энергии на базе ископаемого топлива с улавливанием СО2 (технологии CCS) |
Энергосберегающие здания и электроприборы |
Атомная энергетика |
Тепловые насосы |
Береговые и оффшорные ветровые электростанции |
Солнечное теплоснабжение |
Парогазовые и гибридные ТЭС с внутрицикловой газификацией (IGCC) на природном газе и совместного сжигания |
Энергоэффективный транспорт |
Солнечные фотоэлектрические электростанции |
Электромобили |
Тепловые солнечные электростанции (СЭС) |
Автомобили на топливных элементах |
Парогазовые и гибридные ТЭС с внутрицикловой газификацией (IGCC) на угле |
Технологии улавливания СО2 в промышленности, при получении водорода и переработке топлива |
Паротурбинные угольные ТЭС ультра- сверхкритического цикла |
Промышленные моторные системы |
Биотопливо второго поколения |
Все указанные технологии опробованы на практике и их внедрение будет со временем расширяться по мере роста цен на нефть.
Вместе с тем отношение к проблеме биотоплива – заменителя нефти – неоднозначно. С одной стороны, моторные биотоплива – биодизель и биоэтанол – более экологичны, чем традиционные бензин и дизельное топливо, и выделяют при горении меньшее количество парниковых газов.
С другой стороны, источником получения биотоплива служат пищевые сельскохозяйственные культуры – соя, рапс, подсолнечник, пшеница. В связи с этим в силу ограниченности посевных площадей масштабное производство биотоплива приводит к дефициту пищевых продуктов, а следовательно, и к их подорожанию на мировых рынках. По оценкам весьма авторитетных специалистов, представленных в ООН, общие затраты энергии на получение биотоплива по традиционным технологиям на 20–30% превышают собственную энергию получаемого топлива. В связи с этим производство биотоплива приводит в итоге к росту мирового выброса углекислого газа. При этом приобретает дополнительную остроту проблема дефицита продовольствия
и борьбы с голодом на планете. По данным экспертов Мирового банка 240 килограмм зерновых, которые нужны для изготовления всего лишь 100 литров этанола, достаточны для того, чтобы прокормить одного человека целый год.
В связи с этим, учитывая в целом отрицательное отношение мирового сообщества к развитию индустрии биотоплива из пищевого сырья (биотоплива первого поколения), МЭА ставит задачу всемерного развития производства биотоплива второго и третьего поколения, использующего непищевые биоотходы и водоросли соответственно. Сегодня такие технологии еще не достигли уровня коммерческой пригодности, однако их отработка ведется усиленными темпами.
Особого внимания требуют проблемы развития энергетики на органическом топливе и, в особенности, угольной энергетики. Известно, что национальные энергетические программы КНР, Индии, Японии, Австралии, ЮАР, США, России, Казахстана, Украины ориентированы на преимущественное развитие угольной энергетики. Такое решение определяется не только относительной дешевизной угля и значительными его запасами в этих странах. Не последнюю роль играет здесь и фактор энергетической безопасности.
Масштабы развития угольной энергетики мира весьма значительны. Только в США планируется ввести в действие до 2030 года более 280 ГВт мощности угольных ТЭС. Ежегодный ввод преимущественно угольных ТЭС в КНР составил 91 ГВт (по одной крупной ТЭС в неделю), что больше, чем вся установленная мощность электростанций Великобритании. Поскольку выброс СО 2 на единицу использо
ванной энергии угля в несколько раз выше, чем для природного газа и мазута, масштабное развитие угольной энергетики будет вносить основной вклад в рост мировых выбросов углерода. За время эксплуатации, составляющее около 60 лет, новые угольные электростанции могут выбросить в атмосферу столько же CO2, сколько было выделено при сжигании угля с начала промышленной революции.
Решение проблем сокращения выбросов угольных ТЭС требует комплексного подхода, сочетающего внедрение энергосберегающих технологий, использование высокоэффективных технологий производства электрической энергии на угольных ТЭС, а также широкое применение технологий улавливания и захоронения диоксида углерода на электрических станциях – технологий CCS.
Одним из наиболее перспективных направлений экономии энергии в зданиях и сооружениях, наряду с мероприятиями по их утеплению, является применение тепловых насосов – устройств, позволяющих использовать для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения теплоту окружающей среды и теплоту техногенных тепловых выбросов.
В зданиях и сооружениях, изначально отапливаемых с помощью электрической энергии, применение теплового насоса позволяет в 3–5 раз снизить ее затраты, а при использовании тепловых насосов с газовым приводом – полностью их исключить. В теплое время года тепловой насос может использоваться в режиме кондиционирования (охлаждения) зданий и сооружений. Применение тепловых насосов особенно эффективно в энергетических системах с высоким удельным весом «безуглеродных» электростанций – АЭС, ГЭС, ВЭС и других, где они дают наибольший эффект снижения углеродных выбросов. Технологии теплоснабжения с применением тепловых насосов на различных низкопотенциальных источниках энергии и видах привода достаточно широко используются в Японии, США. В странах ЕС они эффективно применяются как в странах Средиземноморья, так и за полярным кругом. Среди стран с переходной экономикой наилучшие условия для применения тепловых насосов с целью снижения углеродных выбросов сложились в Украине, где около 60% электрической энергии для их привода производится на АЭС, ГЭС и ВЭС. Энергетической стратегией Украины до 2030 года предусматривается, что начиная с 2020 года по мере роста цен на углеводородное топливо и введения экономически весомой платы за выбросы СО 2 тепловые насосы обеспечат до 50% потребности в тепловой энергии, вытесняя из топливного баланса более 20 млн. т у. т. органического топлива.
Раздел 2. Объемы и структура мирового производства энергии
3.2. Экологически чистые технологии тепловой энергетики