Розділ 2. Гідроенергетичні ресурси, їх використання. Принципові схеми, параметри, режими роботи ГЕС і ГАЕС

Сучасні тенденції економічного зростання світу характеризуються все більш повним залученням населення бідних країн планети до сфери індустріального виробництва. Пов'язане з цим зростання рівня життя супроводжується збільшенням споживання енергії. Тенденція, що намітилася, до вирівнювання рівня життя населення планети, виникаючі перспективи ліквідації убогості, бідності й хвороб в неблагополучних регіонах світу, можуть викликати тільки позитивні емоції.

Разом з тим пов'язане з цим зростання світового споживання енергії служить джерелом певного неспокою з приводу подальшої долі світової цивілізації.

Швидке зростання споживання енергії створює небезпеку скорого вичерпання викопних енергетичних ресурсів. Воно сприяє отруєнню води і повітря планети продуктами спалювання палива, катастрофічній зміні клімату планети під дією парникового ефекту, загрожує надмірним посиленням ультрафіолетового і гаммавипромінювання Сонця через втрату озонового шару Землі. Перераховані та інші, реальні й перебільшені ризики, пов'язані з розвитком енергетики, визначають підвищений інтерес до тих або інших оцінок майбутньої динаміки світової енергетики і наслідків її розвитку.

Такі оцінки іноді сенсаційні. Відома теорія Мальтуса, наприклад, передбачає неминучу загибель людства через майбутнє перенаселення Землі. Вона ґрунтується на цілком достовірних результатах статистичного аналізу динаміки збільшення населення Землі в ХІХ–ХХ століттях, які показують, що темпи його зростання збільшуються пропорційно квадрату чисельності населення світу. Оскільки такий закон зростання характерний для ланцюгових реакцій – хімічних і ядерних, що незмінно приводять до вибуху, очікуваний процес майбутнього зростання населення отримав назву «демографічного вибуху». Послідовники теорії Мальтуса зуміли оцінити остаточну дату існування людства як 2025 рік, вказавши на містичний зв'язок своїх прогнозів з датою Апокаліпсису, передбаченого Біблією. (Докладний аналіз описаної та інших теорій катастрофічного зростання можна знайти в ґрунтовній монографії С.П. Капіци).

Проте демографічний вибух, мабуть, не відбудеться. Сучасні тенденції зростання населення Землі починаючи з 1970 року (початок постіндустріального розвитку) зазнали кардинальних змін – «вибуховий» тренд вже в 70-х роках минулого сторіччя змінився на «затухаючий» логістичний. Він явно позначив вірогідну межу чисельності населення Землі, що оцінюється різними джерелами в 10–14 млрд. чоловік (мал. 1.3).

У відповідності з останнім прогнозом Організації Об'єднаних Націй, опублікованим у 2009 році, населення Землі збільшиться до 2050 року лише на 2,5 мільярда чоловік і складе 9,1 мільярда чоловік. Експерти ООН вважають, що майбутнє зростання населення Землі відбуватиметься переважно за рахунок бідних держав. Чисельність населення 49 бідних країн планети подвоїться і досягне 1,7 мільярда чоловік. Населення Ефіопії і Єгипту збільшиться з 83 до 174 і 133 мільйонів чоловік відповідно, Нігерії – з 155 до 289 мільйонів чоловік. Пакистан збільшить населення з 181 до 335 мільйонів чоловік і стане найбільшою країною ісламського світу. Він обжене Індонезію, населення якої зросте з 230 до 288 мільйонів чоловік. Населення Бангладеш збільшиться з 162 до 222 мільйонів чоловік.

Індія стане в 2050 році найбільш великою країною світу з населенням 1,6 мільярда чоловік. Ця країна обжене Китай, населення якого зросте з 1,3 мільярдів чоловік в 2009 році до 1,4 мільярдів в 2050 році.

Мал. 1.3. Динаміка чисельності населення Землі, млн. чоловік. (Джерела: статистичні дані за 1990–2006, МЕA, 2009; прогноз ООН, 2009)

Чисельність населення розвинених країн світу зміниться різнонаправлено.

США залишаться 3-ю за чисельністю країною світу після Індії і Китаю. Населення цієї країни зросте з 315 в 2009 році до 404 мільйонів чоловік. Кількість населення країн Європи та інших розвинених регіонів зменшиться. Зокрема, продовження нинішньої демографічної тенденції призведе до зменшення населення Німеччини з 82 мільйонів чоловік сьогодні до 71 мільйона в 2050 році. Населення Росії зменшиться з 141 до 116 мільйонів чоловік, Японії – з 127 до 102 мільйонів чоловік.

Таким чином, сучасні тенденції розвитку населення світу не дають підстав для катастрофічних прогнозів з приводу майбутньої перенаселеності Землі, викликаючи, швидше, зворотні побоювання. Проте вони все ж таки залишають місце для тривог з приводу катастрофічного зростання споживання енергії.

Сьогодні вся енергія, використовувана людиною, не перевищує 0,3% енергії фотосинтезу, що підтримує життя на Землі й ледве помітна в потоці енергії, що поступає на Землю із сонячним випромінюванням, складаючи лише одну його мільйонну частину.

Проте для майбутнього важливіший не рівень, а швидкість темпів зростання споживання енергії людиною.

Динаміка світового споживання енергії в останнє сторіччя (мал. 1.4) достатньо красномовно вказує на її явно експоненціальне зростання, що таїть потенційну загрозу збільшення надмірних теплових виділень, які можуть порушити тепловий баланс планети і призвести до катастрофічної зміни її клімату.

За весь історичний період розвитку людства рівень використання ним антропогенної енергії зріс до кінця ХІХ століття до 1 млрд. т у. п. А за останнє сторіччя він виріс майже в 17 разів, досягнувши до 2006 року 16,5 млрд. т у. п. Іншими словами, середні темпи споживання енергії починаючи з біблейських часів зросли на порядки. Чи буде це зростання продовжене? Існуючі прогнози не дають підстав для цього. Згадана вище тенденція до стабілізації душового споживання енергії разом з передбаченим обмеженням темпів зростання населення Землі дають підстави вважати, що збільшення споживання енергії людиною відбуватиметься із затухаючим темпом.

До основних чинників, що обмежують майбутнє зростання світового споживання енергії, прийнято відносити поступове виснаження і подальше вичерпання викопних енергетичних ресурсів і глобальні зміни клімату планети, обумовлені антропогенними викидами енергетики.

Мал. 1.4. Динаміка світового споживання енергії в ХХ столітті та на початку ХХІ століття

Відомо, що вже зараз енергетика створює помітні ризики для здоров'я і життя людей, негативно впливаючи на навколишню природу на локальному і глобальному рівнях. Викиди продуктів згорання палива електростанціями і котельними містять шкідливі для здоров'я оксиди азоту і сірки, тверді частинки, що мають в собі метали і навіть радіоактивні сполуки. Токсичні самі по собі, вони є причиною кислотних дощів, ґрунтових накопичень важких металів і радіонуклідів, які заражають флору і фауну, що потрапляють в їжу. Добування палива, поховання золошлакових відходів призводять не лише до забруднення природного середовища, але і до помітних змін природного ландшафту. Об'єкти енергетики є основними забруднювачами водного басейну, використовуючи для цілей циркуляційного і технічного водопостачання значну частину світових ресурсів прісної води.

Проте запобігти вказаним локальним діям можна і відповідна робота з приведення енергетики в стан повної безпеки для природи і людини проводиться вже багато років. Науково-технічний прогрес в області розробки природоохоронних технологій енергетики дозволяє все більше посилювати вимоги стосовно допустимих викидів шкідливих речовин від існуючих об'єктів енергетики і особливо тих, що наново вводяться. Сучасні електростанції і теплогенеруючі установки вимагають все менших витрат палива та інших природних ресурсів на одиницю виробленої енергії, оснащені сучасними засобами екологічного захисту.

Тому сьогодні значно важливішими видаються не локальні, а глобальні ризики енергетики. Пов'язані вони не стільки з прямим тепловим зараженням Землі (воно сьогодні незначне), скільки з непрямим розігрівом поверхні планети за рахунок посилення так званого парникового ефекту.

Відомо, що діоксид вуглецю, або вуглекислий газ, – основний продукт спалювання органіки, як і деякі інші гази, має властивість поглинання довгохвильового інфрачервоного випромінювання. У зв'язку з цим присутність діоксиду вуглецю в атмосфері екранує довгохвильове випромінювання поверхні Землі в космос. У той же час ці гази вільно пропускають короткохвильове сонячне випромінювання, що поглинається поверхнею Землі. У результаті цього підвищення концентрації CO2 в атмосфері призводить до зростання температури земної поверхні – так званого парникового ефекту. Цей ефект істотно перевищує ефект прямого нагріву Землі внаслідок спалювання палива і на думку фахівців вже зараз призводить до помітних змін середньої температури Землі – глобального потепління. Доведено, що швидкість викиду парникових газів (його величину прийнято обчислювати в одиницях вуглецевого еквівалента – т в. е.) сьогодні на багато порядків перевищує швидкість його природного поглинання біосферою і всі викиди парникового вуглецю за останні сто років накопичувалися в атмосфері.

Якщо врахувати, що енергетиці належить левова частка всіх парникових викидів, пов'язаних з людською діяльністю, загроза глобального потепління розглядається сьогодні як основний чинник, здатний істотно обмежити майбутнє зростання антропогенної енергетики.

Що стосується другого обмежуючого чинника – ресурсної бази, то його дія в цілому поки не критична. Доведені світові запаси основних традиційних джерел первинної енергії – нафти, природного газу і вугілля – в цілому достатні для забезпечення енергетичних потреб людства на багато десятиліть вперед. Достатні також і доведені запаси традиційного ядерного палива – урану. Більше того, відомі й здійснені технології, що забезпечують розширене відтворення ядерного палива. Детальніше це питання буде обговорено нижче. Важливо відзначити, що при використанні наявних запасів палива виникають різнопланові обмеження, які впливають так або інакше на зміну структури використовуваних енергоносіїв. Одним з них, що має все більш значну вагу, є відмінність видів палива по здібності до виділення вуглекислого газу при спалюванні.

Відомо, що найбільша кількість СО2 утворюється при спалюванні вугілля, найменша – при спалюванні природного газу.

Використання атомної енергії, гідроенергії, геотермальної енергії, поновлюваної енергії Сонця і вітру, а також поновлюваної біомаси не супроводжується накопиченням СО2 в атмосфері планети, якщо не враховувати незначні викиди, пов'язані зі створенням відповідного енергетичного устаткування.

У зв'язку з цим для запобігання викидам СО2 бажано скорочувати використання вугілля і нафти в енергетичному балансі світу і збільшувати використання природного газу, атомної енергії, поновлюваних джерел енергії.

Довготривалі тенденції зміни структури світового споживання первинної енергії ілюструються мал. 1.5.

До середини ХІХ століття основним видом палива у світі служили дрова і відходи. На початку ХХ століття вони були витиснені калорійнішим вугіллям (див. мал. 1.5). У середині ХХ століття вугілля поступилося першістю нафті. Вже до кінця ХХ століття відмічений процес витіснення нафти природним газом та істотно «калорійнішою» атомною енергією. Таким чином, еволюція структури споживання первинної енергії характеризується закономірним процесом витіснення менш калорійних палив калорійнішими. В останні десятиліття має місце також зростання «непарникових» джерел енергії, які виділяють меншу кількість парникових газів на одиницю енергії, що залучається.

Вказана тенденція є добре видимою на діаграмі мал. 1.6, де представлені в порівнянні структури первинного споживання енергії в 1973 році (початок низки нафтових криз) і в 2006 році.

З представлених даних видно швидке зростання атомної енергетики, частка якої в сумарному споживанні енергії зросла в 1973 – 2006 рр. більш ніж в 6 разів, а також нетрадиційних і відновлювальних джерел енергії (НВДЕ) – Сонця, вітру, геотермальної енергії, теплоти навколишнього середовища (витягуваної тепловими насосами), частка яких зросла в 6 разів. Проте досягнутий сьогодні рівень використання таких НВДЕ поки не перевищив 1%, склавши 0,6%. У цілому роль умовно «беземісійних» джерел енергії (атомна і гідроенергія, горючі ВДЕ і ВЕР, НВДЕ) зросла майже в півтора рази – від 13,4% в 1973 році до 19,1% в 2006 році.

За існуючими прогнозами сучасна структура світового споживання первинної енергії збережеться протягом принаймні найближчих 20–25 років. Очікувані тут закономірні зміни – зростання ролі природного газу, НВДЕ і атомної енергетики при деякому зниженні частки нафти. Проте, на думку багатьох аналітиків, викопні вуглеводні – нафта і газ, на частку яких припадає більше половини світового споживання енергії, і надалі залишатимуться найбільш затребуваними енергетичними ресурсами.

Мал. 1.5. Еволюція структури світового споживання енергії. (Джерело – Макаров А.А. Энергия и энергетика будущего: Материалы доклада. – М: Русский энергетический форум, 2005)

Що стосується вугілля, то тут є дві протилежні тенденції. З одного боку, вугілля було і залишиться надовго найбільш надійним і дешевим джерелом енергії для країн, що розвиваються, і країн з перехідною економікою, а також основним енергоносієм електроенергетики США – одного з головних світових споживачів енергії з позитивною динамікою зростання населення. Очікується, що саме ці країни визначать майбутнє економічне зростання світу і, відповідно, світову динаміку споживання енергії.

З іншого боку, необхідність боротьби з глобальним потеплінням викличе сильний економічний тиск на споживачів вугілля за допомогою механізмів міжнародної торгівлі квотами на викиди парникових газів. Це визначить доцільність розвитку ефективних інноваційних вугільних енерготехнологій (так званих «чистих вугільних технологій»), що сприятиме зменшенню споживання вугілля і, відповідно, парникових викидів на одиницю використаної енергії.

На початку постіндустріального розвитку три чверті світового споживання енергії припадало на розвинені країни світу, що входять до складу ОЕСР (мал. 1.7) і колишнього СРСР. У даний час частка цих країн в світовому споживанні енергії знизилася до 55,6%. Це відбулося як внаслідок різкого зниження споживання енергії в країнах колишнього СРСР, так і через швидке зростання споживання енергії в Китаї та інших країнах Азіатсько-Тихоокеанського регіону. Оскільки цей регіон, як указувалося вище, характеризується найбільш швидким зростанням населення, його вплив на динаміку, паливну і регіональну структуру світового споживання енергії все більш посилюється.

Мал. 1.6. Структура споживання первинної енергії в 1973 і 2006 рр. (Джерело: Key World Energy Statistics, 2008)

 Мал. 1.7. Регіональна структура світового споживання енергії в 1973 і 2006 рр.

Найбільшим споживачем енергії в ОЕСР була і залишається Північна Америка, на частку якої припадає трохи більше половини сучасного споживання енергії країнами ОЕСР (мал. 1.8). На Європу припадає трохи більш третини загального споживання ОЕСР.

Найменшим споживачем енергії в ОЕСР залишається Азіатсько-Тихоокеанський регіон (АТР), проте його роль швидко зростає. Якщо в 1973 році частка країн АТР складала 10,6% споживання ОЕСР, то в 2006 році ця частка зросла більш ніж в півтора рази, досягнувши 16% і зберігши тенденцію до подальшого зростання.

Країни Азіатсько-Тихоокеанського регіону, що як входять, так і не входять в ОЕСР, вже сьогодні забезпечують велику частину приросту світового споживання енергії.

У зв'язку з вирішальним впливом енергетики на економіку виняткової важливості набуває надійність постачання країн світу необхідними енергетичними ресурсами. Країни, не забезпечені достатніми ресурсами енергії, потенційно уразливі для зовнішнього впливу. Це показав досвід першої і другої нафтових криз 70-х і 80-х років минулого сторіччя, третої нафтової кризи перших років ХХІ століття. Ціни на нафту, що визначаються ринковими законами, відгукуються прямими і зворотними скачками практично на кожну політично значущу подію, яка відбувається в світі, схильні до спекулятивних зльотів і падінь, залежать від коливань попиту і пропозиції в кожній країні, що поставляє, споживає, і/або такій, що переробляє нафту. Останніми роками почастішали перебої на регіональних ринках природного газу. У 2006 р., 2008–2009 рр. газові конфлікти Росії і України призвели до дестабілізації постачання природного газу до Європи. Немає гарантій, що подібні конфлікти не торкнуться й інших енергоносіїв – предметів міжнародної торгівлі енергією. Як основний показник надійності енергопостачання або, що те ж саме, енергетичної безпеки країни, використовують коефіцієнт самозабезпеченості. Він є відношенням власного виробництва енергії до внутрішнього споживання енергії в країні.

Мал. 1.8. Регіональна структура споживання енергії країнами ОЕСР в 1973 і 2006 рр.

Таблиця 1.3 Динаміка коефіцієнта самозабезпеченості енергією країн «великої вісімки»

Країна	1971	1980	1990	1995	1998	2000	2006
Канада	1,10	1,10	1,31	1,51	1,55	1,49	1,53
Франція	0,26	0,25	0,49	0,53	0,49	0,51	0,50
Німеччина	0,57	0,51	0,52	0,42	0,38	0,40	0,39
Італія	0,17	0,14	0,16	0,18	0,17	0,16	0,15
Японія	0,13	0,12	0,17	0,20	0,21	0,20	0,19
Великобританія	0,52	0,98	0,98	1,15	1,18	1,17	0,81
США	0,90	0,86	0,86	0,80	0,78	0,73	0,71
Росія			1,44	1,52	1,60	1,57	1,80

Динаміка самозабезпеченості країн «великої вісімки» (G8) в 1971–2006 рр., представлена в табл. 1.3, показує, що тільки дві країни G8 (Росія і Канада) забезпечено власними енергетичними ресурсами. До останнього часу до їх числа відносилася і Великобританія. Проте протягом останнього десятиліття у зв'язку з вичерпанням власних ресурсів нафти і газу на шельфі Північного моря вона втратила цю якість.

Останніми роками всі країни G8, окрім Росії і Канади, характеризуються падінням коефіцієнта самозабезпеченості. Ця тенденція, на жаль, розповсюджується і на інші країни світу. Число країн і регіонів світу, розвиток яких не забезпечений власними енергоресурсами, постійно зростає. Якщо в 1990 році такі країни виробляли 87% світового ВВП, то останні десять років – вже 90%. Особливо різко зросла залежність від імпорту енергії найбільших країн, що швидко розвивалися (Китаю, Індії та ін.), і в перспективі ситуація тільки посилюватиметься. Зокрема, Азія вже сьогодні 60% своїх потреб в нафті забезпечує за рахунок імпорту, а до 2020 року імпорт покриватиме до 80% її попиту.

Таблиця 1.4 Самозабезпеченість енергією країн ОЕСР в 1973 році

Показники	Вугілля і торф	Нафта	Природний газ	Ядерна і гідроенергія	НПДЕ	Всього
Виробництво, млн. т н.е.	818,29	702,61	705,65	127,68	92,09	2446,20
Споживання, млн. т н.е.	843,35	1271,50	705,83	127,68	92,71	3748
Коефіцієнт самозабезпеченості	0,97	0,55	0,99	1,00	0,99	0,65

Таблиця 1.5 Самозабезпеченість енергією країн ОЕСР в 2000 році

Показники	Вугілля і торф	Нафта	Природний газ	Ядерна і гідроенергія	НПДЕ	Всього
Виробництво, млн. т н.е.	967,9	1041,9	902,7	698,6	215,4	3826,5
Споживання, млн. т н.е.	1086,4	2163,1	1149,3	698,6	216,0	5316,9
Коефіцієнт самозабезпеченості	0,89	0,48	0,79	1,00	1,00	0,72

Таблиця 1.6 Самозабезпеченість енергією країн ОЕСР в 2006 році

Показники	Вугілля і торф	Нафта	Природний газ	Ядерна і гідроенергія	НПДЕ	Всього
Виробництво, млн. т н.е.	1011,9	937,7	918,6	724,6	249,6	3842,3
Споживання, млн. т н.е.	1138,7	2200,8	1210,3	724,6	254,5	5537,4
Коефіцієнт самозабезпеченості	0,89	0,43	0,76	1,00	0,98	0,69

Достатньо складними видаються і перспективи самозабезпеченості країн ОЕСР. У 1973 році країни ОЕСР були практично повністю забезпечені вугіллям, природним газом і на 55% нафтою (табл. 1.4). Коефіцієнт самозабезпеченості ОЕСР складав 0,65. У подальші роки основним напрямом енергетичної політики цих країн стало прагнення до підвищення енергетичної безпеки з першочерговим послабленням від нафтової залежності за рахунок енергозбереження, масштабного розвитку атомної енергетики, нетрадиційних і поновлюваних джерел енергії. Ці заходи дозволили до 2000 року підвищити коефіцієнт самозабезпеченості до 0,72 (табл. 1.5), проте вони з багатьох причин не були доведені до кінця. Введення мораторію на розвиток АЕС, згортання власної вугільної промисловості в європейських країнах – членах ОЕСР, що відбувалося на тлі вступу в період падіння добування з основних родовищ нафти і газу, неповне виконання програм розвитку НВДЕ не лише не зменшили, а і підвищили залежність країн ОЕСР від імпорту нафти, природного газу і вугілля.

До 2006 року вказані чинники, не дивлячись на деяке зростання використання атомної енергії і НВДЕ, призвели до подальшого посилення залежності ОЕСР від імпорту вуглеводневого палива зі зменшенням коефіцієнта самозабезпеченості до 0,69, тобто практично до рівня 1973 року (табл. 1.6).

Особливо важка ситуація склалася в Європейському Союзі, на території якого знаходиться лише 3,5% світових доведених запасів газу і менше 2% доведених запасів нафти (в основному в Норвегії і Великобританії). У той же час розташовані в Європі нафтогазові родовища експлуатуються набагато інтенсивніше, ніж в інших регіонах світу, що веде до їх швидкого виснаження.

У зв'язку з цим аналітики прогнозують подальше зниження рівня самозабезпеченості розвинених країн світу, що визначає непростий вибір актуальних напрямів енергетичної політики цих країн, як міжнародної, так і внутрішньої.