CC BY
29Энергетика России и перспективы развития ТЭК в XXI веке*
Ю.Н. Орлов (orlmath@keldysh.ru) ИПМ им. М.В. Келдыша РАН
1. Введение
В настоящей работе анализируются данные по энергопотреблению в России и используемым энергетическим ресурсам, а также меняющиеся темпы роста населения и качества уровня жизни. Цель предпринимаемого исследования состоит в систематизации имеющихся данных и прогнозов развития, публикуемых различными организациями и ведомствами, а также в подготовке базы для построения моделей, описывающих взаимосвязи между энергетикой, экологией и демографией в контексте тенденций современного развития.
В процессе развития человечества базовая энергетика менялась дважды: использование энергии в виде пищи и одежды (включая жир и шкуры убитых животных на обогрев) сменилось сжиганием биомассы (дрова, навоз), которое в свою очередь сменилось добычей ископаемого топлива (газ, нефть, уголь). Смена существующей («ископаемой») энергетики будет обусловлена исчерпанием невозобновляемых запасов топлива, что с необходимостью приводит к исследованию возможности использования других видов энергии, открытых в настоящем, либо недостаточно эффективно использовавшихся в прошлом. Основным критерием прогресса в энергетике является повышение плотности потока извлечения энергии из окружающей среды. Это, в свою очередь, влечет за собой увеличение рассеиваемой энергии, и до определенного этапа развития влиянием отходов (как производственных, так и чисто энергетических) на окружающую среду можно было пренебречь, однако теперь такое влияние становится сопоставимым с внешним фоном, поэтому эффективность использования энергии есть тот критерий, по которому ее в первую очередь следует классифицировать. На основе данных по отходам, получаемым при производстве энергии на ТЭС, в работе предлагается модель определения экологически оптимальной единичной мощности агрегата.
Прогнозы будущих потребностей или возможностей производства, сделанные разными организациями, сильно различаются между собой, некоторые выполнены с явным превышением точности. По-видимому, наиболее корректными являются прогнозы, сделанные по принципу «если темпы роста (спада) останутся такими же, то...». Вместе с тем износ основных фондов хотя и отмечается в большинстве работ, учет реального вывода устаревшего оборудования не проводится, поскольку практически во всех сценариях прогнозируется рост производства энергии и весьма умеренные вложения средств в обновление основных фондов и в развитие новых технологий, что не вполне сочетается с упоминанием там же о готовящихся выйти из строя 50-70% оборудования. Кроме того, необходимо учитывать также динамику численности населения, и прогнозы в этой области должны опираться на строгий математический анализ наблюдаемых тенденций. В настоящей работе делается оценка перспектив развития ТЭК с учетом износа оборудования и темпов ввода новых мощностей. На основе проводимого анализа делается вывод о том, что главной особенностью современной ситуации в энергетике является проведение грамотной инвестиционной политики, учитывающей изменения в структуре потребления разных видов топлив.
2. Тенденции развития мировой энергетики
Основной чертой последнего десятилетия в развитии мировой энергетики стало внедрение энергосберегающих технологий и рост количества энергетических установок малой мощности на основе использования нетрадиционных возобновляемых источников (НВИЭ), таких как энергия Солнца, ветра, геотермальная и др. (Строго говоря, НВИЭ не являются возобновляемыми, но пока их использование достаточно мало, факторы обратного влияния не сказываются). Это привело к сокращению удельного потребления энергии в мире в целом, хотя в странах со средним уровнем развития (4-8к$ ВВП на человека) наблюдается его рост, связанный с улучшением качества жизни.
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект №01-01-00628) и РГНФ (проект №99-03-19696).
Таблица 2.1. Удельное энергопотребление в мире по данным [1-2].
Год Население, N млрд чел. Энергия, E, TW- у Отношения: E / N E/N
1850 1.13 0.68 532 602
1870 1.3 0.79 467 608
1890 1.49 1 450 671
1910 1.7 1.6 553 941
1930 2.02 2.28 558 1129
1950 2.51 3.26 517 1299
1970 3.62 8.36 638 2309
1990 5.32 13.2 466 2481
2000 6.25 13.9 356 2224
Здесь использована энергетическая единица 17Ж - у = 31.5Е/, К1 = 1018 3 . Часто используются также единицы 1 т.у.т. (тонна условного топлива) = 2.926 • 1010 3 и 1 тнэ (тонна нефтяного эквивалента) =
1.375 т.у.т. Современные мировые потребности составляют 1.1 • 1010 т.у.т. в год и растут со скоростью 2 -4% в год, в основном за счет развивающихся стран.
На основе данных Таблицы 2.1 в [1-2] сделан вывод о том, потребление энергии пропорционально
• 2
квадрату численности населения. Там же предложен закон роста численности в виде N <х N , откуда
следует Е ж N. Однако, как показывает последняя строка этой таблицы, тенденции роста не столь прямолинейны. Возможно, что население растет как N с открытием нового источника энергии, а по достижении «насыщения» включаются факторы экономии, приводящие как к сокращению потребления, так и стабилизации численности.
Базовая энергетика в настоящее время использует ископаемое углеводородное топливо. Мировые
12 5
запасы органического топлива оцениваются величиной 12.8 -10 т.у.т. (3.745 • 10 ) [1]. Примерно треть
12
этого количества (4.3 • 10 т.у.т.) может быть извлечена с использованием современной техники при умеренной стоимости топливодобычи. По оценке [3], доказанные запасы газа в мире составляют
12 3
142 -10 м , которые при темпах добычи 1999г будут израсходованы за 65 лет. Потенциальные запасы 12 3
оцениваются в 437 • 10 м , и их хватит на 200 лет. Однако большая часть этих запасов труднодоступна, и их добыча может быть невыгодна даже энергетически, учитывая затраты на создание рабочих мест.
Дрова 7
Каменный уголь 25
Нефтепродукты 44
Природный газ 38
Деление актиноидов 8407
Эквимолярный DT синтез 1.7408
Таблица 2.3. Удельный вклад энергоресурсов в мировое энергопроизводство [4].
уголь газ нефть АЭС ГЭС прочее всего
Полная мощность, TW 3.00 2.81 4.39 0.75 0.81 0.05 11.81
% от полной мощности 25.40 23.74 37.15 6.37 6.88 0.46 100
Доля электроэнергии в общей структуре производства энергии в последние десятилетия примерно постоянна и составляет 23-26%. Этой величиной в настоящее время ограничиваются потенциальные возможности АЭС, поэтому развитие широкомасштабной ядерной энергетики, не производящей, однако, полезного тепла, находится под вопросом. В этой связи представляются несостоятельными рассуждения о глобальной экономии углеводородного топлива при выводе части ТЭС, вырабатывающих электричество, и переориентации отрасли на ядерную энергию. Столь же неправомерны призывы заменить ядерную энергетику на тепловую, т. к. отходов от ТЭС больше, а запасов топлива меньше. Возможно, что создание термоядерной энергетической установки при соблюдении норм экологической безопасности могло бы решить проблему нехватки энергии при истощении углеводородного топлива.
Экономические показатели использования энергии в мире по данным [2]: ВНП 21Т$; индустриальное использование энергии 362Б.Т; индивидуальное потребление энергии 40 Б1; использование электроэнергии 11190 TW-h; энергоемкость ВНП 56.9 $/в1;
доля в нем электроэнергии 1.91 Практически во всех странах потребление энергии почти прямо
пропорционально ВВП: Е/ВВП ж 0.55 W/$. Исключения составляют самые бедные страны с производством ВВП менее 1к$ на человека, где этот показатель выше (около 0.7W /$), и самые богатые (более 16к$), где он соответственно ниже (0.37W /$).
Возможное использование НВИЭ значительно перекрывает современные потребности (13TW), но соответствующая технология пока не разработана. Солнечная энергия с 1% суши при 20% кпд даст 50 TW-y, однако из-за отторжения больших площадей и отсутствия эффективной аккумуляции низкопотенциального тепла делает широкомасштабное ее извлечение в настоящее время невозможным. Сжигание биомассы с 10% суши (леса занимают 30% суши) при кпд 1% даст 25 TW-y, но приведет к изменению климата и значительному загрязнению атмосферы. Термальная энергия океана при 2% ее поглощения и 2% кпд даст 9 TW-y. Прогнозы использования гидроэнергии колеблются от сохранения текущего уровня (0.8 TW-y), до 2 TW-y. Энергия ветра оценивается в 1 TW-y. Остальные виды (приливы, геотермальная энергия и т.д.) дают меньше 1 TW-y.
Таблица 2.4. Мировые запасы топлива, 109 тнэ (ПЛ8Л [5]/Газпром [3])._
уголь газ нефть уран
Потенциальные 2794/3400 279/220 477/200 12353/15500
Доказанные 606/600 141/133 343/150 3447/3400
Существует множество сценариев развития мировой энергетики. По одному из них, разработанному ПЛ8Л [5], к 2050г ожидается 10.1 млрд. чел., потребляющих 2-1010 тнэ энергии в год при снижении удельного потребления 0.7% в год и росте ВВП 2.2%. Потребности будут распределены следующим образом:
Таблица 2.5. Прогноз мировых потребностей в энергоресурсах к 2050 г, 109 тнэ.
уголь газ нефть ядерная энергия гидро НВИЭ биомасса
4.1 4.5 4.0 2.7 0.9 2.8 0.8
В то же время, например, в аналитическом обзоре [3] приводятся цифры, превышающие указанные в Таблице 2.4 в 2 - 2.5 раза (возможно, за счет большей прогнозируемой численности). Так, общие потребности предполагаются равными 35-40-109 тнэ со смещением акцента в сторону нефти и газа. Данные по существующим мировым запасам топлива также различны. По-видимому, как и в прогнозах, в них содержится скрытая заинтересованность ведомств в том или ином сценарии развития, и потому приводимые ими цифры требуют осторожного обращения.
В тесной увязке с энергетикой находится также и демографическое положение в мире. Основная трудность прогнозирования демографической ситуации состоит в моделировании зависимости рождаемости и смертности от времени, причем эта зависимость представляется не явной, а реализующейся через некоторые интегральные характеристики общества, и в первую очередь через энергопотребление и его распределение по социальным сферам. По-видимому, урбанизация как следствие миграционного роста населения в местах концентрации энергетических источников приводит к снятию многих проблем, связанных с выживанием в неблагоприятных внешних условиях. Критическим следует признать уровень энергопотребления в 4 MW-h на человека в год, по достижении которого рождаемость в большинстве стран падает ниже уровня простого воспроизводства. При этом явной зависимости рождаемости и смертности от плотностных факторов пока не наблюдается. Из анализа демографических моделей можно сделать вывод, что неравномерность развития человечества способствует повышению его выживаемости в условиях свободной миграции [6-7].
Таблица 2.6. Фертильность и удельное энергопотребление в некоторых странах на 1998 г.
Страна Плотность населения (чел./км2) Фертильность Потребление энергии на 1 чел. (МW-h/y)
Германия 23 1.3 6.5
Испания 77 1.2 4.1
Италия 190 1.2 4.2
Китай 126 2.0 1.5
Япония 330 1.4 7.9
Норвегия 11 1.1 28.2
Швеция 19 1.1 16.2
Россия 8 1.3 5.6
США 28 2.1 13.4
Сектор Газа 2000 8.8 1.5
Прогнозы численности населения даже на коротком промежутке времени имеют существенные различия как между собой, так и с наступающей реальностью.
Автор прогноза 2000г 2005г
Госкомстат РФ, 1993 150.0 150.2
Госкомстат РФ, 1996 145.5 143.0
ЦЭК, 1994 142.7 138.7
ЦДЭЧ, 1994 145.6 146.2
Бюро Цензов США, 1994 151.5 155.9
ООН, 1994 146.3 146.1
По-видимому, эти прогнозы следует признать не вполне удовлетворительными, поскольку даже на коротком интервале времени ошибка составляет 1-6 миллионов, тогда как декларируемая точность расчетов составляет, как следует из Таблицы 2.7, сотни тысяч. Заметим, что данные по численности известны с точностью 3-5%, что составляет примерно 5-7 млн. чел. Разброс цифр в Таблице 2.7 того же порядка. В долгосрочном прогнозе [7] показано, что середина XXI является критической точкой, поскольку в этот момент темп сокращения численности будет наибольшим, доля трудоспособного населения возрастет, а относительно доступное органическое топливо израсходуется. Если к этому времени будет создана база для развития новой энергетики, то возможны резкое увеличение производства и связанный с ним общий экономический подъем государства, что может повлиять в лучшую сторону и на демографическое положение.
3. Состояние и прогнозы развития ТЭК России
Из почти 14TW мировых энергетических мощностей на долю России приходится 4.5% [2], т.е. 630GW. По оценке [13], в России, составляющей 10% территории Земли, сосредоточено 45% мировых запасов природного газа, 13% нефти, 23% угля и 14% урана. При этом на труднодоступные районы Тимано-Печорского бассейна, Восточной Сибири и континентального шельфа арктических морей приходится до 50% прогнозных ресурсов нефти и до 80% природного газа. Крупным потенциальным ресурсом является шельф России, занимающий 6 млн. км2, (20% площади шельфа Мирового океана). Изученность российского шельфа на нефть и газ как по площади, так и по ресурсам составляет 1-2%. Около 88% ресурсов углеводородного сырья шельфа России сосредоточено в недрах арктических морей. На долю дальневосточных и южных морей приходится соответственно 11% и 1%.
По оценке [14], к 1990г. извлечено 18% мировых ресурсов нефти и 13% газа, причем для России эти цифры составляют соответственно 12% и 3%, что показывает ее высокую потенциальную энергообеспеченность. Однако использование ископаемого топлива сопровождается большими потерями вследствие низкой технологии процессов. Кроме того, в настоящее время плотность потока извлечения энергии из ископаемых ресурсов стабилизировалась, тогда как мощности источника с большей плотностью - ядерной энергии - еще не достигли необходимого уровня. Это приводит к необходимости выбора перспектив развития: либо использовать имеющиеся запасы, что связано с увеличением стоимости топливодобычи и, как следствие, некоторым снижением жизненного уровня, либо развивать потенциал ядерной энергетики, для чего потребуется, по-видимому, гораздо больше инвестиций, поскольку в цену реактора будет закладываться и стоимость утилизации и хранения отходов. От принятия соответствующих решений зависит не только долгосрочная перспектива развития, но и ближайшее экономическое состояние России, поскольку в ТЭК производится 40-45% доходной части бюджета (30% объема промышленного производства) и обеспечивается 45-50% валютных поступлений. Это показывает ориентированность
экономики на ресурсную базу, с чем и связана слишком высокая энергоемкость ВВП, которая составляет в настоящее время 2.4^-Ы$, тогда как в США этот показатель равен 0.84W-h/$, а в Германии и Нидерландах - 0.41W-h/$. Это можно было бы рассматривать как специфику Российской экономики, однако рост удельного расхода топлива в производстве электроэнергии (см. ниже) показывает не только повышенную долю использования газа, но и снижение эффективности утилизации энергоресурсов. В связи с этим различные сценарии развития энергетики, в которых наряду с ростом топливодобычи планируется сокращение в 2 и более раз энергоемкости ВВП, являются полностью утопическими.
Таблица 3.1. Структура и п
зогноз потребления топлива на ТЭС России (%) по данным [3].
1990 1995 2000 2005 2020
Газ 43 60 52 43 30
Уголь 40 25 30 43 60
Нефть 10 7 7 6 5
Прочее 7 8 11 8 5
Таблица 3.2. Состояние ТЭК России на 1999г [15].
Производство энергии и добыча топлива Основные фонды, подлежащие замене, %
Электроэнергия, TW-h, в т.ч.: 845 50
ТЭС 562
ГЭС 161
АЭС 122
Отпущенное тепло 1129-106 Гкал
Добыча топлива:
Нефть 295 млн. т 80
Газ 591 млрд. м3 35
Уголь 249 млн. т 60
В России отвечает мировому уровню в топливодобывающих отраслях примерно 15% установленного оборудования. Хотя доля капиталовложений в ТЭК возрастает, общий их объем по сравнению с 1990г снизился более чем в 2 раза (а во всем народном хозяйстве - в 3.4 раза), поэтому повышается риск техногенных катастроф и связанных с ними затрат энергии на восстановительные работы. Для компенсации выбывающих мощностей на электростанциях ежегодно должно вводиться 6GW, а после 2005г - 8GW, тогда как сейчас ввод не превышает 2GW. Отсюда следует, что прогноз роста производства и потребления энергии, сделанный в [16], в котором прогнозируется и рост численности населения уже к 2010г, вряд ли можно считать реалистичным, а между тем он сделан Аналитическим Центром Энергетической Безопасности России, в котором данные об износе фондов также существуют. Еще менее подкрепленными расчетами с учетом реального положения отрасли являются прогнозы [3] роста потребления электроэнергии к 2015г почти в 1.5 раза.
Сделаем качественную оценку допустимых темпов снижения мощностей ТЭК. В отсутствие формирования новых потребностей сокращение населения в среднем на 700 тыс. чел. в год означает (с учетом того, что на личные нужды расходуется 10% произведенной энергии) снижение мощности потребления на 0.5GW. С другой стороны, демографические расчеты показывают уменьшение трудоспособного населения на 300 тыс. в год без учета миграции. Если учесть, что миграция касается в основном трудящегося населения, то эти потери почти восполняются (иммигрирует примерно 250 тыс.). Разница составляет около 0.03% от общей численности, т.е. в такой пропорции допустимо сокращение ВВП, что с учетом его энергоемкости составит еще 0.2GW. Таким образом, чтобы оставаться с прежним качеством жизни, допустимо сокращение энергетических мощностей на 0.7GW в год: на эту величину будет падать спрос на энергоресурсы. Если же допустить декларируемый реальный рост ВВП хотя бы на 2% в год, половину которого обеспечивает рост производительности труда, то ввод дополнительных мощностей должен составить около 6GW (или 5GW с учетом сокращения людских ресурсов). Вместе с заменой выходящих мощностей это составит уже 11GW. Если ввод будет составлять 2GW, то дефицит мощности будет составлять около 9GW. Если же учитывать также и последствия от аварий и снижения производства энергии в связи с износом оборудования в топливодобывающей промышленности, то спад может принять катастрофический характер. В связи с этим приводимые ниже прогнозы [16] нужно скорее считать желаемыми декларациями, в которых отражены потенциальные возможности отраслей, а не реальными тенденциями развития.
Таблица 3.3. Сценарий ИНЭИ РАН внутреннего энергопотребления.
1990 2000 2010 2015 2020
Электроэнергия, TW-h 1073 849 895 975 1156
Теплоэнергия, млн. Гкал 2076 1470 1520 1570 1615
Первичные ТЭР, млн. т.у.т. 1257 898 925 940 970
Таблица 3.4. Развитие отраслей ТЭК и прогнозные оценки до 2020 года по данным Углекомитета при
1990 2000 2020
Уголь, млн. т./год 400 230 500
Нефть, млн. т./год 520 300 220
Газ, млрд. м3/год 740 600 550
В работе [18] сделан прогноз, еще менее отвечающий текущим тенденциям: в 2010г предполагается увеличение по сравнению с 2000г: производства ТЭР - в 2 раза (1800 млн. т.у.т.), угледобычи - в 1.3 раза, атомной энергии - в 1.25 раза, НВИЭ - в 2.5 раза.
Таблица 3.5. Динамика степени износа оборудования в отраслях ТЭК (%), [15].
1995 1996 1997 1998
Электроэнергетика 57.5 58.3 61.1 64
Нефтедобывающая пром. 50.9 52.7 56.1 59
Газовая пром. 58.9 61.9 67.1 70
Угольная пром. 52.4 57.0 57.8 59.5
Возрастная структура мощностей электростанций России на 1991г, %.
более 10 лет
71.7
более 20 лет
39.2
более 25 лет
24.8
более 30 лет
12.5
Предположим, что загруженность мощностей падает пропорционально степени износа основных фондов. Обозначим P(t, т) функцию распределения мощностей по длительности т их использования, P0 (т) - состояние в некоторый момент времени, выбранный за начальный. Износ приводит к сокращению производимой энергии в д(т) раз в единицу времени, а ввод новых мощностей составляет I(t) [GW/y]. Тогда
„ dP dP 4D
уравнение эволюции распределения мощностей--1--= -д(т)Р имеет решение в виде
dt дт
Р((,т) =
Ро (т-1
0V 'q(T-1) i(( -t)Q(t),
, t-т< 0; t-т> 0;
Q(t) = exp
- J q( x)dx 0
(3.1)
Полная мощность Y(t) в момент t определяется выражением
7(t) = JQ(t)I(t - т)т + J P0 (т) Q(TT- dT .
0 0 QW
(3.2)
Из вышеприведенных данных следует, что уменьшение мощностей вследствие износа (т.е. без учета ввода новых мощностей) в среднем составляет 1.5% в год. Это позволяет оценить фактор износа д(т). Из (3.2) получаем, что при сохранении текущего уровня обновления мощностей к 2010г в электроэнергетике останется 88.1GW (вместо 97.8GW в 2000г). Для сохранения текущего состояния отрасли необходимо ежегодно вводить 5GW, в согласии с рекомендациями [16].
г
Таблица 3.6. Структура потребления и экспорта энергоресурсов в 1999г [16].
Энергоноситель
Внутреннее потребление
Экспорт
Электроэнергия, TW-h (млн. т.у.т.) Уголь, млн.т (млн. т.у.т.) Нефть, млн.т (млн. т.у.т.) Газ, млрд.м3 (млн. т.у.т.) Всего, млн. т.у.т._
263 (87)
244 (159) 135 (194) 389 (447) 908
20 (6.5)
25 (16) 176 (251.5) 200 (230) 504
Из Таблицы 3.6 следует, что снижение добычи топлива не угрожает энергообеспечению страны, т.к. есть значительный резерв за счет экспорта (правда, ценой потери доходов), однако снижение производства электроэнергии гораздо более чувствительно.
Ниже сделан краткий обзор состояния отдельных отраслей ТЭК. Электроэнергетика. В России действует более 700 электростанций с суммарной установленной мощностью 214,6 GW по данным Госкомстата на 01.01.99, из которых 43,8 GW (20,4%) приходится на ГЭС, 21,2 GW (9,9%) - на АЭС и 149,6 GW (69,7%) - на ТЭС. По данным [15] 60 тыс. км ЛЭП (25%) находятся в эксплуатации более 30 лет, непригодны к эксплуатации 14 % ВЛ (312 тыс. км) и 12 % подстанций. В электрических сетях происходит 90% всех нарушений в работе энергосистем, что связано с износом сетевого оборудования.
Таблица 3.7. Показатели электроэнергетики СССР и России.
1960 1970 1980 1990 1995 1998
Установленная мощность, GW 66.7 116.2 266.7 343.7/214.3 215.3 214.6
Производство электроэнергии, TW-h, 292 741 1294 1726/1082 860 827
из них: 241 613 1037 1281/734 583 565
на ТЭС 50 124 184 233/167 177 158
на ГЭС 3.7 72.9 211.5/118.3 99.3 103.5
на АЭС
В последние годы рост производства электроэнергии в основном обеспечивался атомными станциями. Структура потребления в 1999г (по ср. с 1998г) изменилась значительно: в промышленности (64%) рост составил 7%, на ж. д. транспорте (3.3%) - 10%, хозяйственные нужды населенных пунктов (7%) возросли на 16%, хозяйственные нужды энергосистемы (0.2%) - на 6%; доля непромышленных потребителей (10%) осталась без изменения, в городском транспорте (0.9%) - спад 6.5%, в сельском хозяйстве (4.8%) - 7.2%, индивидуальное потребление (10%) сократилось на 17%.
Гидроэнергетика. Ведущими странами по потенциалу гидроэнергетики (TW-h/y) являются Китай - 1.28 (используется 15% ресурса), Россия - 0.82 (20%) и Бразилия - 0.77 (39%). В то же время лидерами в использовании имеющихся ресурсов являются США - 0.40 (95%), Норвегия - 0.15 (98%), Япония - 0.15 (98%) и Франция - 0.12 (98%).
Отметим, что оценка эффективности использования гидропотенциала России, приведенная в [19] (600GW-h/y), существенно ниже, чем официально принятая [13] (820GW-h/y). Расхождение (около 30%) фактически представляет доверительный интервал используемых данных. Теоретический потенциал малой гидроэнергетики составляет 30% всех гидроресурсов страны. По оценкам [20], энергетический потенциал малых рек страны, использование которого возможно доступными средствами и экономически выгодно, составляет 493 GW-h.
Углеводородное топливо. В настоящее время в эксплуатации нефтегазового комплекса находится 200 тыс. км магистральных трубопроводов, 350 тыс. км промысловых трубопроводов и 800 компрессорных и нефтеперекачивающих станций. Износ системы составляет 63%, а 32% полностью требуют замены. В угольной отрасли только 18 шахт (8%) имеют срок службы менее 20 лет, а основная часть фонда была введена в эксплуатацию более 60 лет назад, причем 70% из них не реконструировались и имеют очень низкие экономические показатели. Более 50% парка горной техники исчерпало свой ресурс, остальное оборудование изношено наполовину. Все это показывает глубокий кризис в добывающих отраслях.
За 30 лет валовая добыча газа в мире увеличилась в 4 раза, а товарная добыча - в 4,5 раза. Более высокий темп роста товарной добычи определялся тенденцией к сокращению потерь газа и повышению степени утилизации. Потери газа обусловлены неподготовленностью газовой инфраструктуры и в целом являются показателем научно-технической культуры производства. Крупные прямые потери были характерны для первого периода развития газовой индустрии. В США из-за отсутствия рентабельного сбыта и по технологическим причинам в период с начала разработки газовых месторождений до 1950 г. было сожжено в факелах и выпущено в атмосферу 1,9 - 2,5 трлн.м3 газа. В России в настоящее время от 4 до 35 млн. т. нефти (оценки различных организаций сильно не совпадают между собой [21]) и от 6 до 50 млрд. м3 газа теряются ежегодно из-за утечек и загрязняют окружающую среду. Кроме того, около 18 млрд. м3 попутного газа сжигается на нефтяных скважинах [22]. Потери при добыче и транспортировке нефти составляют 3-7 % от добываемого объёма. Одним из показателей влияния утечек на окружающую среду служит продолжительность жизни коренных народов в нефтегазодобывающих регионах: она сократилась с 61 года в 1959 г. до 45 лет в 1990 г. Если уровень утечек нефти и газа в России уменьшить до принятых мировых стандартов (1%), сохраненного топлива хватит для производства того количества электроэнергии, которое вырабатывается атомными электростанциями России в настоящее время. С другой стороны, в 1999 году АЭС выработали 120TW-h электроэнергии - на 16% больше, чем в 1998 году. Для производства этого количества электроэнергии на ТЭС потребовалось бы 36 млрд.м3 газа (стоимостью 2,5G$ в экспортных ценах). В России в последние годы идет сокращение объемов добычи нефти, поскольку постоянно сокращаются объемы эксплуатационного и разведочного бурения (для стабилизации добычи необходимо их увеличение в 3-4 раза). Кроме того, 35% нефтяных скважин находится в простое, причем отборы нефти существенно снизились из-за низкого уровня технологических процессов (только 10% общей добычи получают современными методами), в результате чего из нефтеносных пластов извлекается только 25-40% нефти. Средний дебит по скважинам, находящимся в эксплуатации, снижается со среднегодовым темпом на 3-4%, выбытие производственных мощностей опережает их ввод на 1,5-2%, а себестоимость добычи природного газа увеличивается с 1995 г. ежегодно на 2-3%. Если эти тенденции сохранятся на ближайшие пять лет, то к 2005 г. добыча газа снизится на 9%, или 40 млн. т.у.т., а его себестоимость возрастет на 1416%. Доля природного газа в мировом энергобалансе, составляющая сегодня около 23%, возрастет почти до 30% в первой четверти XXI века и, возможно, ее рост продолжится. Предполагается, что мировая добыча природного газа не достигнет пика ранее 2030 г. Максимальный уровень добычи нефти может наступить между 2010 и 2020 гг., но спрос на нее, как и на электроэнергию, будет возрастать и далее. Замена обычной нефти нетрадиционной (синтетические жидкие углеводороды) увеличит цену нефти примерно в полтора раза. Цена на природный газ будет расти параллельно ценам на нефть, так как эти два вида продукции во многом дополняют друг друга. В 1991г. было использовано 2,1 трлн. м3 газа, или около 410 м3 на человека. По масштабам газопотребления резко обособлены Россия и США, где душевое потребление составляет 2550 и 2200 м3, т.е. соответственно в 6 и 5.4 раза больше, чем среднемировой уровень.
Проведенный анализ показывает, что имеется значительный потенциал энергосбережения - около 450 млн. т.у.т., т.е. 50% общего расхода ТЭР. В то же время недостаточные капитальные вложения будут приводить к устойчивому падению добычи топлива и еще большему проценту потерь.
Ядерная энергетика. Из 434 ядерных энергоблоков мира 345 приходится на долю 27 стран-членов NEA/OECD. Полная установленная мощность - 292 GW. Ожидается ее увеличение до 294 GW в 2001г и до 312 GW в 2010, если принять во внимание ожидаемый вывод из эксплуатации 29 GW к 2010 году, главным образом в США и Великобритании. Атомные станции 15 стран ЕС произвели в 1998 году 808 TW-h электроэнергии. Доля ядерного электричества в 1998 году составила 35% общего электропроизводства этих стран, на 1% меньше, чем в 1997 г. Общее количество произведенной электроэнергии возросло на 1,5%, с 2246 до 2280 TW-h.
В России в настоящий момент работают 29 ядерных реакторов на 9 АЭС суммарной установленной мощности 21.2GW. В 1999г коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) был повышен на 9% по отношению к 1998 г. и составил 64,5% при проектном -75-80% (на лучших зарубежных АЭС КИУМ достиг 85-90%). В 2000 году КИУМ АЭС России составил 70%, к 2010 году планируется 80%, к 2020 году - 85%. За год АЭС производят около 110 TW-h электроэнергии (в среднем за 1992-1999гг., что позволило получить от рабочей сети электростанций примерно 105TW-h). АЭС производят 14.4% электроэнергии России, что составляет около 3% всего производства энергии. В 1999 году 54 % атомной энергии было выработано реакторами типа РБМК, около 43 % - реакторами типа ВВЭР. Остальная часть была выработана реакторами типа БН и ЭГП [23-25]. Причем в Центральной России, включая Москву, доля АЭС в производстве электроэнергии составила 25%, на Северо-Западе - 50%, на Северо-Западе Чукотского автономного округа - 60%, на Кольском полуострове - до 70%, в Центрально-Черноземном районе - до 80%. Это объясняется тем, что здесь нет крупных топливных энергетических ресурсов. Доля производства электроэнергии на АЭС в Западной Европе составляет 43%, во Франции - 76%, в Японии - 36%, в США -19%. АЭС России обеспечивают электроснабжением 35 из 89 субъектов РФ. Действующие энергоблоки АЭС построены и введены в эксплуатацию в период с 1971 по 1993г. Их можно разделить на две группы: энергоблоки первого поколения: 12 энергоблоков суммарной электрической мощностью 5.8 GW разработаны и построены до выхода основных нормативных документов по безопасности атомной энергетики. Эти блоки находятся в эксплуатации в среднем 25 лет. Для них предусмотрена программа поэтапной модернизации и замены части оборудования, выработавшего технический ресурс с целью
повышения безопасности и продления срока службы на 10 лет; энергоблоки второго поколения - 17 энергоблоков суммарной электрической мощностью 15.5 GW спроектированы и построены в соответствии с нормативными требованиями безопасности, введенными в 1982 и 1988гг. Эти блоки находятся в эксплуатации в среднем 15 лет.
Прогноз развития ядерной энергетики России в условиях незавершенности перестройки экономики достаточно неопределенен. В рамках разработки Энергетической стратегии России были выполнены оценки развития атомных мощностей с учетом вывода из эксплуатации оканчивающих срок службы блоков АЭС и сооружения реакторов нового поколения. Диапазон оценок масштаба развития ядерной энергетики страны охватывает варианты от стагнации на существующем уровне до удвоения мощности в 2010 г.
Таким образом, основные проблемы электроэнергетики следующие: 1. Инвестиции. Заморожено строительство новых энергоблоков АЭС мощностью 18 GW; остановлено развертывание площадок для новых энергоблоков АЭС мощностью 20 GW. До 2010 года в европейской части России необходимо: замещение 30-35 GW (30-35%) отслуживших срок мощностей ТЭС; продление срока службы энергоблоков АЭС мощностью 6,7 GW. 2.Неэффективность использования топливных ресурсов. Перерасход газа на действующих ТЭС по сравнению с современными ПГУ: 15-17% на конденсационных электростанциях; 3540% на ТЭЦ в конденсационном режиме. Недоиспользование мощности АЭС (15-35%). 3. Структурный кризис. Доля газа в топливном балансе ТЭС в европейской части России составляет 86% (90 млрд. м3/год); сокращение поставок газа в электроэнергетику - 15млрд. м3/год.
НВИЭ. Хотя потенциал НВИЭ Земли очень велик, все они обладают одним важным недостатком -малой плотностью потоков энергии. Удельная мощность потока солнечной энергии на поверхности Земли не превышает 1 kW/m2, плотность мощности воздушного потока при скорости 7 т/с составляет около 150 W/m2, океанская волна высотой 5т развивает мощность 10 kW/m2 колеблющейся площади. Это означает, что для получения от НВИЭ сколько-нибудь заметных мощностей необходимо собирать энергию с весьма больших площадей, что требует создания больших и дорогостоящих установок. Солнечная энергия пригодна либо для производства низкопотенциального тепла, либо для производства электроэнергии. В первом случае применяются плоские неконцентрирующие солнечные коллекторы, в которых теплоносителями могут быть вода, воздух или антифризы. Коллекторы устанавливаются неподвижно на крышах домов под углом к горизонту, равным широте местности. В зависимости от условий инсоляции в коллекторах теплоноситель нагревается на 40-50°С выше, чем температура окружающей среды. Электроэнергия от светового потока может производиться двумя путями: путем прямого преобразования в фотоэлектрических установках либо за счет нагрева теплоносителя, который производит работу в том или ином термодинамическом цикле.
Ветровая энергия используется для производства механической или электрической энергии. Наиболее распространены ВЭУ единичной мощностью 100 - 500 kW, хотя построены и эксплуатируются агрегаты единичной мощностью в несколько MW. Малые ВЭУ (мощностью менее 100 kW) обычно предназначаются для автономной работы. Более крупные установки создаются как сетевые. На одной ферме может быть размещено около тысячи ВЭУ, так что суммарная мощность фермы превысит 100 MW.
Геотермальная энергия, строго говоря, не является возобновляемой, поскольку речь идет не об использовании постоянного потока тепла, поступающего из недр к поверхности (в среднем 0,03 W/m2), а об использовании тепла, запасенного жидкими или твердыми средами, находящимися на определенных глубинах. В большинстве мест т.н. геотермальная ступень, определяемая тепловым потоком и теплопроводностью пород, составляет не более 3° /100 m. Однако в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры геотермальная ступень повышается в несколько раз, и уже на глубинах в несколько сот метров (иногда в несколько километров) имеются либо сухие горные породы, нагретые до 100° С и более, либо запасы воды или пароводяной смеси такой температуры. Сегодня для получения тепла или для производства электроэнергии используются исключительно термальные воды или парогидротермы. Существующие геотермальные электростанции (геоТЭС) представляют собой одноконтурные системы, в которых геотермальный пар непосредственно работает в паровой турбине, или двухконтурные с низкокипящим рабочим телом во втором контуре. Наиболее распространены геоТЭС в Италии, Исландии, Японии и США. Единичная мощность таких геоТЭС составляет единицы (иногда десятки) MW.
Биомасса представляет собой весьма широкий класс энергоресурсов и включает древесину, отходы промышленные (лесной и деревообрабатывающей промышленности), сельскохозяйственные и бытовые. Энергетическое использование биомассы возможно через сжигание, газификацию и пиролиз, биохимическую переработку с получением спиртов или биогаза. В России леса занимают около 70% всей ее территории, равной 1690 млн. га. Рубка лесов в 1999г. составила 130 тыс. га, а их восстановление - 1 тыс. га.
Несмотря на то, что вклад НВИЭ в мировой энергетический баланс невелик, есть четкая тенденция его увеличения. Решение технико-экономических проблем развития НВИЭ в значительной степени зависит от интенсивности масштабов НИОКР, которые, в первую очередь, определяются размерами их финансирования. Внедрение результатов НИОКР уже в ближайшие годы способно привести к снижению себестоимости производства электроэнергии на высокотемпературных геоТЭС на 20-40%.
В целом по странам - членам Международной Энергетической Ассоциации (МЭА) бюджетные ассигнования на НИОКР в сфере НВИЭ составляют в настоящее время 8% общего объема государственного финансирования НИОКР в энергетическом секторе. Приоритетной статьей расходов в структуре
государственного финансирования странами - членами МЭА НИОКР в сфере НВИЭ на протяжении целого ряда лет остаются расходы на развитие солнечной энергетики, доля которых составляет 67,5% [26-27].
Важной чертой существующей энергетической системы России является ее высокая централизация. Небольшое число крупных угольных, нефтяных и газовых месторождений обеспечивают почти всю добычу органического топлива. Практически все города и значительная часть деревень присоединены к линиям магистрального газопровода. Около 90% общего количества электроэнергии производится крупными, (несколько GW) электростанциями. Около 87% населения получают электроэнергию централизованно. Теплоснабжающая система России также высоко централизована. Только в малых городах и деревнях существуют индивидуальные отопительные системы, использующие природный газ, пропан-бутан, уголь, угольные брикеты, дрова. Около 10 млн. населения, живущего на северных территориях, не присоединены к электрическим сетям. Для этой категории жизненно необходимо скорейшее решение проблемы использования НВИЭ. Однако полное количество энергии, производимой за счет НВИЭ, сегодня в общем энергетическом балансе страны пренебрежимо мало. Как и в настоящее время, энергетическая стратегия на 2010 г. предусматривает всего лишь 1% энергии, которая будет производиться НВИЭ.
4. Воздействие на окружающую среду
В этом параграфе будут приведены некоторые количественные оценки влияния работы некоторых энергетических установок на окружающую среду. Характерные показатели такого влияния следующие: выбросы в атмосферу в виде неуловимой пыли и газов; твердые отходы; тепловые низкопотенциальные выбросы; электромагнитные поля ЛЭП; шумовое воздействие; повышение радиационного фона. Факторы воздействия на литосферу весьма многообразны: изменение профиля местности; нарушение устойчивости грунта работой механизмов; изъятие территорий; загрязнение отходами; изменение альбедо поверхности; изменение термического режима.
На долю ТЭК приходится 70% теплового загрязнения атмосферы. Хотя тепловое влияние всей деятельности человечества не превосходит 0.02% от солнечного излучения, и потому может не приниматься во внимание при глобальном рассмотрении, локально вблизи энергетических установок возникают довольно значительные зоны с измененным микроклиматом. В общем загрязнении атмосферы отходами производства ТЭС выбросы по пыли составляют 20%, по диоксиду серы - 50%, по окислам азота - 30%. На долю теплоэнергетики приходится 60% производства окислов азота (от полного их производства промышленностью), 45% окислов серы, 38% золы.
Поступление металлов с золами в результате работы ТЭС превышает их мировое промышленное производство [29] во много раз: мышьяк - в 6 раз, германий - 2550, висмут - 3, бериллий - 80, скандий -600, кобальт - 12, галлий - 5000, уран - 70. Доли выбросов свинца и молибдена составляют соответственно 0.012 и 0.6 от их промышленного производства. Представляется особенно важным, что выбросы урана с золами от сжигания каменного и бурого углей в мире составляют около 200 тыс. т. в год. Поэтому среднее влияние на радиационный фон при работе ТЭС значительно превосходит вклад АЭС в безаварийном режиме (с учетом хранения отходов), который состоит в основном в выбросах инертных радиоактивных газов (ИРГ) и составляет около 20 кюри за сутки (1% принятых норм ПДК).
уголь мазут газ
Теплота сгорания, MJ/kg 22.5 39.8 33.5 MJ/m3
Зольность, % 23 0.07 -
Содержание серы, % 1.2 2 -
Расход топлива, t/h 440 250 2.98-105m3/h
Зола из топок и бункеров, t/h 94.4 - -
Окислы азота, t/h 3.9 2.5 2.7
Оксид углерода, g/kW-h 0.048 0.0185 -
Зола и недожог топлива, t/h 0.83 0.146 -
Диоксид серы, t/h 14.2 9.6 -
Бензапирен, kg/h 1.4-10-3 1.4-10-3 1.2-10-4
Пятиокись ванадия, kg/h 4.2 62.5 -
На выбор золоуловителей влияет вид топлива, способ его сжигания и мощность котла: сухие инерционные фильтры работают на котлах малой производительности (до 200т/ч), мокрые - на котлах средней мощности (до 640т/ч), а электрофильтры, применяемые для более глубокой очистки, выгодно устанавливать на крупных блоках, что приводит к повышению удельной загрязненности среды от малых ТЭС.
Таблица 4.2. Доля применения электрофильтров на ТЭС России в зависимости от мощности котла.
Производительность, т/ч <100 100-200 200-320 320-640 >640
Процент применения 7 13 25 34 95
Таблица 4.3. Динамика выброса в атмосферу основных отходов, млн. т. (кг/т.у.т.).
1995 1996 1997 1998
Зола 802 1.38 (19.20) 1.17 (4.50) 2.05 (20.06) 1.38 (17.2) 1.07 (4.31) 1.98 (19.7) 1.17 (16.8) 1.07 (4.30) 1.76 (19.5) 1.15 (16.4) 1.03 (4.30) 1.70 (18.8)
Выбросы С02 не считаются токсичными и составляют около 10% от его природного выделения. Наиболее токсичным является сернистый ангидрид 802, составляющий 99% всех сернистых выбросов ТЭС, накопление которых происходит в Мировом океане. В соединении с водой окислы образуют сернистую и серную кислоты (кислые дожди). Окислы азота М02 приводят к разрушению озонового слоя: 1 т. М02 разрушает 1000 т. озона. Наконец, нарушение режимов горения приводит к неполному сгоранию топлива и образованию полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), обладающих канцерогенным действием (бензапирен).
Исследования процесса самоочищения атмосферы от твердых частиц показывают, что частица размером более 10 мкм быстро опускаются на землю, частицы 4-10 мкм поднимаются с дымом на высоту около 1 км и перемещаются вдоль поверхности на расстояния порядка 2-3 тыс. км. Частицы менее 4 мкм плохо осаждаются с каплями дождя и достигают поверхности земли с высоты 1 км в течение года. Фильтры хорошо удерживают более крупные частицы, но именно в мелких фракциях удельное содержание микроэлементов выше.
Таблица 4.4. Типичные примеси, содержащиеся в угольных золах, г/т.
РЬ As V Сг гп и Мо ве
20-200 10-100 20-100 20-100 60-200 5-20 2-10 10-70
Удаление золошлаковых отходов связано со значительным отторжением территорий. Например, если сама ТЭС средней мощности сжигает до 2500 т. топлива в час, образуя при этом 1000 т. золы, и занимает площадь 200-300 га, то площадь золоотвала через 10 лет эксплуатации достигает 800-1500 га. Содержание в золе токсичных микроэлементов примерно в 100 раз превосходит их среднее содержание в земной коре.
По имеющимся ПДК, основанным на национальных стандартах качества атмосферного воздуха, строится таблица относительной вредности различных выбросов. В линейном приближении (поскольку даже качественной теории взаимовлияния последствий от различных выбросов на организм пока еще нет) вводится понятие суммарной вредности.
Таблица 4.5. Предельно допустимые концентрации (ПДК) продуктов горения, мг/м3.
Пыль нетоксичная 10
Пыль с содержанием 8Ю2 2
Зола горючих сланцев 4
Диоксид серы 10
Окись азота 0.04
Двуокись азота 2
Окись углерода 20
Бензапирен 0.00015
Бериллий 0.001
Пятиокись ванадия 0.1
Германий 2
Диоксид марганца 0.3
Мышьяк 0.5
Ртуть 0.01
Свинец 0.01
Таллий 0.01
Фтор 0.15
Хлор 1
Таблица 4.6. Вредность использования различных видов топлив.
Топливо зола 802 дах У20з Суммарная
вредность
Природный газ - - 4.07 - 4.07
Кузнецкий уголь 0.26 1.82 6.66 - 8.74
Подмосковный уголь 1.12 14.58 7.26 - 22.86
Мазут - 3.82 6.41 9.54 19.77
Сланцы 2.59 8.57 8.16 - 19.32
Рассмотрим теперь влияние АЭС на экологическую обстановку в России. Контроль радиационного фона на территории РФ осуществляется путем непосредственного измерения мощности экспозиционной дозы гамма-излучения на местности, анализа проб атмосферных выпадений и аэрозолей, а также посредством отбора и анализа проб атмосферных осадков, поверхностных вод, суши, морской воды. В состав системы контроля в 1997 г. входили: 1331 пункт наблюдения за мощностью экспозиционной дозы гамма-излучения, 423 - за радиоактивными атмосферными выпадениями, 60 - радиоактивными аэрозолями, 27 -содержанием трития в атмосферных осадках, 46 - за концентрацией стронция-90 в водах рек и пресных водоемов, 15 - в морских водах.
Воздействие радиации на человека складывается из следующих составляющих: атомная энергетика 0.03%; авиатранспорт 0.1%; использование радиолюминесцентных товаров 0.1%; ядерные испытания 1%; естественный фон (3ц8у/к) 23%; медицина 34%; облучение продуктами распада радона и торона в помещениях 42%, из них: природный газ 4%; вода 5%; окружающий воздух 13%; стены и грунт под зданием 78%. Медицинская норма уровня радиационного облучения 20мкр/ч. ПДК радиоактивных изотопов [Бк/м3]
л г\-2 /-1Г-249 1 г\4 45
в воздухе значительно различаются в зависимости от радионуклида и составляют 10 для С , 10 для Ca , 105 для Т. Годовая эффективная коллективная эквивалентная доза, создаваемая космическим излучением, составляет 28 мбэр, т.е. очень мала. Удельная активность естественного фона излучения почвы варьируется
40 238 232
в зависимости от местности и составляет 100 - 700 Бк/кг по К , 10 - 50 Бк/кг по и и ^ . Сжигание ископаемого топлива приводит к повышению концентраций радионуклидов в окружающей среде. Активность нуклидов, выбрасываемых в атмосферу в результате деятельности ТЭС, зависит от их концентрации в углях: 1-70 Бк/кг для К40, 3-520 Бк/кг для И238, 3-320 Бк/кг для Т^32. Кроме того, на нее влияют зольность углей, температура сжигания, тип фильтрующих систем. Глобальная плотность
137 2 90 2
загрязнения почвы в результате действия всех факторов составляет по сб 0,06 Ки/км2, 8г0 - 0,04 Ки/км2
239 -8 3
(на 7 порядков ниже норм ПДК). Концентрация Ри в приземном слое атмосферы в среднем 1,410-8 Бк/м3, (на 5 порядков ниже нормы). Концентрация трития в атмосферных осадках составляет 3,1-4,8 Бк/л (8,1-10-11 -11,6-10-11 Ки/л), что на 6 порядков ниже нормы.
Таблица 4.7. Средняя удельная активность нуклидов в золе, Бк/кг.
К40 И238 ял226 Ял228 РЬ210 Ро210 та232 ^28
265 200 240 130 930 1700 70 110
Таблица 4.8. Выбросы ИРГ и заполненность отходами хранилищ при АЭС России.
АЭС Тип реактора Расчетная мощность, MW Кол-во блоков Выброс ИРГ (% нормы) Емкость хранилища, 103 м3 (заполненность, %)
ТРО ЖРО
Балаковская ВВЭР-1000 4000 4 0.02 18.7 (51.3) (47.8)
Калининская ВВЭР-1000 2000 2 0.18 (84.4) (71.2)
Кольская ВВЭР-440 1760 4 0.28 (39.4) (80.3)
Нововоронежская ВВЭР-440+ 880+ 2+
+ВВЭР-1000 +1000 +1 0.29 (74.1) (40.1)
Белоярская БМ-600 600 1 0.008 (60.6) (85.4)
Курская КМБК-1000 4000 4 2.2 (99.7) 63 (62.8)
Смоленская ЯМБК-1000 3000 3 3.4 (75.8) (61.4)
Билибинская БвР-6 48 4 4.0 (77.5) (68.0)
Ленинградская ЯМБК-1000 4000 4 0.02 27.8 (71.1) 13.8 (88.0)
Хотя радиоактивное влияние АЭС очень мало, загрязнение территории в результате предшествующей деятельности 22 предприятий Минатома по производству ядерных материалов составляет около 170 тыс. га. Почти вся эта площадь (168 тыс. га) принадлежит ПО «Маяк» (Челябинск). В
поверхностных хранилищах, специальных бассейнах, открытых водоемах накоплены радиоактивные отходы с суммарной активностью 109Ки. В глубинные горизонты (до 400м) на Сибирском химическом комбинате (СХК) (Томск) и Горно-химическом комбинате (ГХК) (Красноярск) закачано 5-107 м3 ЖРО с активностью 8-108 Ки. Большая часть радиоактивных отходов на СХК представляет собой ЖРО радиохимического завода, в которых содержится до 200 кг плутония в химических соединениях. По данным Центра ядерной экологии, на полигоне Северный под Красноярском закачано около 4 млн м3 ЖРО с общей активностью 700 млн кюри.
Однако радиоактивное загрязнение происходит и вследствие работы ТЭС.
Таблица 4.9. Степень запыленности в зависимости от мощности котла [29].
Производительность котла, т/ч 35 170
Расход газа на очистку, м3/ч 85000 152000
Запыленность на выходе, г/м3 0.95 0.35
Таблица 4.10. Активность нуклидов в годовых выбросах в атмосферу летучей золы, МБк/ГВт эл.
K40 U238 Ra226 Pb210 Po210 Th232
Россия 20 000 2000 2000 8100 7400 2000
В среднем по миру 4000 1500 1500 5000 5000 1500
Годовая средняя коллективная эффективная доза на 1GWe составляет 200 чел. бэр, из которых 140 приходится на вдыхание шлейфа. Годовая коллективная эффективная доза в расчете на все человечество есть 2-105 чел. бэр, что составляет 0.02% от среднего уровня естественного фона. Это превосходит тепловое техногенное воздействие от тепловых станций примерно на порядок, поскольку тепловое воздействие городов значительно выше воздействия собственно тепловых станций. При выработке на АЭС 1ГВт эл. в окружающую среду из рудника поступает 20ТБк Rn222, с перерабатывающего завода 900ГБк, из хвостохранилища - 1ТБк. Кроме того, на этих стадиях выделяется 1,6ГБк изотопов U, Th, Ra, Pb, Po. В воздух выбрасывается 105ТБк радиоактивных инертных газов, 3-103ТБк продуктов активации, 550ТБк трития, 740ГБк C14, 460ГБк I131 и 56ГБк продуктов деления U238 в виде радиоактивных аэрозолей, основными из которых являются изотопы Xe133, Xe135 (96%). Кроме того, имеются жидкие радиоактивные отходы с суммарной активностью 5,7ТБк. Эти дополнительные источники приводят к суммарной коллективной эквивалентной дозе на все население мира около 570чел.бэр/ГВт эл., что составляет менее 5-10-3% от радиоактивного фона. В то же время вблизи АЭС фон значительно выше. По существующим нормам ПДК, дополнительная доза не должна превышать фонового излучения, равного 10-20 мкР/ч (1бэр = 0.01Р). Измерения показывают, что активность природных изотопов вблизи Курской АЭС становится равной фоновой на расстоянии 10 - 20 км от нее, т. е. зона радиоактивного влияния АЭС (по нормам ПДК) сопоставима с зоной ее теплового влияния. Характерно, что по среднему радиоактивному загрязнению местности (в расчете на 1GWe) ТЭС превосходят АЭС на порядок, тогда как локально вклад АЭС существенно выше, поскольку мелкие зольные фракции в выбросах ТЭС, содержащие основную долю радиоактивных элементов, не осаждаются вблизи нее, а переносятся воздушными потоками на тысячи километров.
На основе приведенных данных рассмотрим задачу оптимизации единичной мощности энергоустановки на примере угольной ТЭС. Обозначим через D(W) затраты в деньгах на обеспечение работы и устранение побочных эффектов от производства энергии W. В эти затраты входят: стоимость строительства, эксплуатационные расходы, отчуждение территорий (зона допустимого теплового влияния станции и хранение отходов), потери при доставке энергии потребителю, степень загрязнения окружающей среды (вредность производства, выраженная в некоторых условных единицах). Задача оптимизации удельных затрат по экологическому критерию
V(W) = ^ min, W > 0 (4.1)
W
состоит в нахождении компромисса между увеличением площади теплового влияния станции и уменьшением удельных выбросов с ростом единичной мощности. С увеличением мощности ТЭС увеличивается и потеря энергии при доставке ее потребителю (пропорционально длине проводов или теплотрассы) и локальное тепловое воздействие на окружающую среду. Потребуем, чтобы локальная плотность рассеиваемого тепла не превышала 1% от внешнего фона, который определяется плотностью теплового потока из атмосферы к поверхности [28]:
qo = 5.67(0.89 - 0.2 • 10"007Р )) [Ш / m 2]. (4.2)
Здесь Р - парциальное давление паров воды при относительной влажности 71%, Т - температура нижних
2
слоев атмосферы. В среднем q0 = 328W / m .
Пусть 80 - площадь, занимаемая станцией. Поскольку интенсивность излучения спадает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника, то для отыскания среднего радиуса К теплового воздействия в условиях равномерного рассеяния получим уравнение
S R dr
(1 - ПШЬ йГ 2 = 0.01qo , (4.3)
2Я 0 ((0 + пг 2 )2
(1 - пш
где W - мощность ТЭС, п - кпд агрегата. Обозначим ---= а . Эта величина представляет
0.02qo £0
характерный параметр теплового воздействия ТЭС (а также и других энергетических установок). Тогда из (4.3) получаем уравнение относительно Я:
2
2мм _ ч и п пЯ ,, ,ч + аг^(и) и-- + —, и =-, (4.4)
а 1 + м2 1 + м2 2' S(
поскольку м >> 1. В этом приближении получаем
1+ VI + 8/Па I. (4.5)
ПЦт-Ь ■ о 1 — 2, 8
В частности, для станции с W = 4GW, S0 = 2км и 7] = 0.4 получаем а ~ 200, м ~ 150, откуда R = 10км. С ростом W удельная площадь зоны влияния u/W стремится к константе, если площадь, занимаемая единичным энергоблоком, не меняется.
Пусть Xk (W) концентрация вредных элементов k-го типа в выбросах ТЭС. Для удобства можно рассмотреть обобщенную зольную фракцию с некоторой усредненной вредностью отходов Vk. Будем учитывать выброс собственно золы, окислов азота, диоксида серы, тяжелых металлов, токсичных веществ типа бензапирена, радиоактивные отходы и тепловое влияние. Обозначив через Ck соответствующие ПДК, приходим к оптимизационной задаче относительно суммарной вредности воздействия ТЭЦ:
V (W) = £ Xk (W) — ^ min, xk < ck ,W > 0 . (4.6)
k ck W
Согласно данным, приведенным в этом пункте, пылевой вклад в функцию (4.6) приближенно составляет
3
= 0.874 X1[mg 'm ] . (4.7)
1 W
Вредность от теплового воздействия состоит в изменении микроклимата на отторгаемой территории, площадь которой, согласно (4.5), прямо пропорциональна мощности ТЭС. Поэтому удельная тепловая вредность V2 постоянна и может быть опущена из (4.6). С другой стороны, если зона влияния не должна превышать некоторой установленной величины Smax, то формула (4.5) дает максимально допустимую мощность станции.
Зависимость радиоактивных выбросов от мощности определяется двумя конкурирующими факторами: насколько улучшается степень очистки в результате применения более совершенных фильтров (на станциях большей мощности), и насколько повышается удельное содержание радионуклидов в выбросах, фракции золы в которых уменьшаются в результате повышения качества фильтрации. Поскольку по золе вредность составляет величину 8.74, а ПДК - 10%, то по радиоактивным выбросам, ПДК которых относительно фона составляет 1, вредность можно принять в 10 раз меньшую, т.е. приблизительно 0.9. Поскольку же количество золы пропорционально мощности станции, то для соответствующей части функции V(W) получаем
V3 = 0.9, (4.8)
3 £(W)
где ^(W) - зависимость удельной концентрации р/а нуклидов в золе от мощности ТЭС. Из проведенного анализа следует, что отношение X1 /^ слабо возрастает с ростом W, и может быть оценено качественной
зависимостью W0.1 ^0.3. Тогда минимум функции V (для угольных ТЭС) в (4.6) достигается примерно на значениях мощности порядка 4-7GW. Разумеется, эти оценки будут меняться с изменением технологии сжигания топлива и улучшением систем очистки.
м
Список некоторых используемых сокращений
т.у.т. - тонна условного топлива тнэ - тонна нефтяного эквивалента мкм - микрометр, 10-6м Гкал - гигакалория J - Джоуль W - Ватт y - год h - час
kW-h - киловатт-час, 103W-h TW-y - тераватт-год, 1012W-y MJ - мегаджоуль, 106J GJ - гигаджоуль, 109J EJ - эксаджоуль, 1018J Sv - Зиверт ^Sv - миллизиверт Ки - Кюри Бк - Беккерель
ВВП - валовой внутренний продукт
ВНП - валовой национальный продукт
ВЭУ - ветровые энергетические установки
НВИЭ - нетрадиционные возобновляемые источники энергии
IIASA - International Institute for Applied System Analysis
ЖРО - жидкие радиоактивные отходы
ИРГ - инертные радиоактивные газы
КИУМ - коэффициент использования установленной мощности NEA - Nuclear Energy Agency
OECD - Organization for Economic Cooperation and Development
ПАУ - полициклические ароматические углеводороды
ПДК - предельно допустимая концентрация
ТРО - твердые радиоактивные отходы
ТЭК - топливно-энергетический комплекс
ТЭР - топливно-энергетические ресурсы
ЦДЭЧ - Центр демографии и экологии человека
ЦЭК - Центр экономической конъюнктуры
ЛИТЕРАТУРА
1. Капица С. П. Общая теория роста человечества. М.: Наука, 1999.
2. Holdren J. Population and the energy problem // Population and Environment: J. Interdiscipl. Stud. 1991. V.12. №3.
3. РАО "ГАЗПРОМ". Аналитический обзор. Фарко Секьюритиз, 1998.
4. World Energy Horizons 2000 - 2020. WEC, 1989.
5. Global Energy Perspectives. IIASA Summary Report, 1999.
6. Галахов М.А., Орлов Ю.Н., Суслин В.М. Математические модели жизнеустройства. Демография. Препринт ИПМ РАН, №69, 2000.
7. Орлов Ю.Н., Суслин В.М. Кинетический подход к описанию нелинейных демографических процессов. Препринт ИПМ РАН, №47, 2001.
8. Российский статистический ежегодник. М., Госкомстат, 1999.
9. Демографический ежегодник России. М., Госкомстат, 1999.
10. Бюллетень Министерства труда и социального развития РФ, 1998, 2, с.61.
11. Бюро переписей населения Министерства торговли США. Аналитический обзор. 1999.
12. American Bureau of Census. Analytical Review. 1999.
13. Энергетическая стратегия России (основные положения). // Энергетическое строительство. 1995. № 1. С. 2 - 20.
14. Макаров А.А. Крайние стратегии долгосрочного развития энергетики. // Экономика и математические методы. №1. 1987.
15. Энергетическая безопасность России. / Бушуев В.В., Воропай Н.И. и др. Новосибирск, Наука, Сиб Изд. Фирма РАН, 1998.
16. Безопасность России. МГФ «Знание», 2000.
17. Красноярский Г. А. Новое время угольной энергетики. М., ЦНИЭИуголь, 2000. 18. Макаров А. А. Энергетическая стратегия и атомная энергетика России. // Энергия. 1996. №8. С. 2.
19. Зотов В. М., Новоженин В. Д., Фаин И. И. Гидроэнергетика России. // Электрические станции, 2000, № 1.
20. Садовский С.И. Пути развития малой гидроэнергетики России. // Гидротехническое строительство. 1997. № 9. С. 1 - 3. 21. Россия в окружающем мире: 1998 г. М., Госкомстат, 1999.
22. Стратегия развития газовой промышленности России. М., Газпром, 1997.
23. Nucleonics Week, Vol. 41, No. 6, February 10, 2000.
24. Головнин И. С. Оценка реальных и возможных путей развития долгосрочной ядерной энергетики. // Атомная энергия. Т.86. №2. 1999.
25. Субботин В.И. Размышления об атомной энергетике. СПб, 1995.
26. Асланян Г.С., Молодцов С. Д. Возобновляемые источники энергии на мировой сцене. // Энергия. 1997. № 3. С. 2 - 10.
27. Шпильрайн Э.Э. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. // Энергия. 1997. № 5. С. 6 - 14.
28. Теплотехника. М., Высшая школа, 2000.
29. Носков А.С., Савинкина М.А., Анищенко Л.Я. Воздействие ТЭС на окружающую среду и способы снижения наносимого ущерба. Новосибирск, 1990.
