CC BY
176
ОТРАСЛИ И МЕЖОТРАСЛЕВЫЕ КОМПЛЕКСЫ
Ю.А. Ульянин, В.В. Харитонов, Д.Ю. Юршина
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ИСЧЕРПАНИЯ ТРАДИЦИОННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ
В статье приводятся результаты прогнозирования динамики исчерпания традиционных энергетических ресурсов - углеводородов (угля, нефти, природного газа) и природного урана, составляющих основу энергообеспечения экономики в настоящее время. С помощью разработанной авторами балансовой модели показана динамика возрастающего дефицита невозобновляе-мых традиционных энергоресурсов после 2040 г. при различных темпах роста энергопотребления. В настоящее время не вполне ясно, какие именно нетрадиционные первичные энергоресурсы в состоянии обеспечить перспективные коммерчески приемлемые энергетические системы с высокими темпами развития (и капиталовложений) для компенсации ожидаемого в 40-х годах быстрорастущего дефицита первичной энергии. Наиболее перспективной энерготехнологией, обладающей практически неограниченным ресурсом и достигшей «полупромышленного развития», может стать ядерный бридинг - расширенное воспроизводство искусственного ядерного топлива.
От «пика нефти» до «пика цивилизации». Математическое моделирование и прогнозирование влияния ограниченности природных ресурсов на различные стороны жизни людей восходят к работам Джозефа Таунсенда (1739-1816 гг.) и Томаса Мальтуса (1766-1834 гг.). Однако для наших целей наиболее интересны работы американского геофизика Кинга Хабберта (King Hubbert, 1903-1989 гг.), который в 1956 г. теоретически предсказал пик добычи нефти в США в начале 70-х годов ХХ в., а в мире - около 2000 г. [1]. Математически изящная модель динамики исчерпания ограниченного ресурса, предложенная К. Хаббертом (см. подробнее [2]), показала, что для любой заданной географической области - для отдельного месторождения или для всей планеты - график изменения годовых объемов (скорости) добычи данного ресурса во времени должен иметь колоколообразную форму. Добыча вначале быстро наращивается, затем достигает пика (максимума) и затем уменьшается вплоть до окончательного исчерпания ресурса. В 1972 г. добыча нефти в США действительно достигла пика. Прогноз К. Хабберта в общих чертах оправдался, а его работа получила широкое признание и инициировала непрекращающиеся дискуссии о продолжительности не только «нефтяной и газовой эры» [2-5], но и «эры технологических металлов» [6] и других невозобновляемых ресурсов, включая уран [2; 7-9]. Наиболее системно и остро положение о «пиках и тормозах развития цивилизации» впервые сформулировано в отчете «Римского клуба» (см. [10]). Важно отметить, что вопреки скептикам (см. напр., [11]) именно «прогноз и осознание исчерпания традиционных ресурсов» мотивируют людей на своевременный поиск альтернативных технологий, на диверсификацию бизнеса и инвестиций. Не удивительно, что практически все страны, обладающие крупнейшими запасами традиционных углеводородов, построили, строят или планируют построить в ближайшие годы атомные электростанции.
Развитие цивилизации сопровождается неуклонным ростом добычи энергетических ресурсов и металлов, играющих важную роль «драйверов технологий и прогресса». До сих пор традиционные углеводороды (уголь, нефть и природный газ) обеспечивают почти 90% всего энергопотребления в мире, в том числе и для производства металлов. Вместе с тем геологические оценки ископаемых запасов (ресурсов) весьма
ограничены [12-18], что, естественно, ставит вопрос о динамике их исчерпания и перспективах энергетических технологий, включая ядерную энергетику (рис. 1; рис. 2/.
Китай США ОАЭ Катар Ирак Канада Кувейт Россия Саудовская Аравия Венесуэла Иран
1 • г
У//////////////777Ш.
у////////////////////////////^
+35+22+ (176) реакторов ] +99+4+ (42)
тл 0+4+(14)
3
19+0+(5)
35+7+(48)
ТТЛ 0+0+(16)
У////////////////////////////////А--,--
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
1+0+(9)
2,5 2=1021Дж
Рис. 1. Энергетический потенциал нефти и газа и число ядерных реакторов действующих, строящихся и планируемых к строительству (в скобках) в ряде стран, обладающих наибольшими запасами нефти ( Щ ) и газа ( □ )
+2+0+(8) реакторов +0+0+(4) +0+0+(5)
+8+0+0
+ 15+0+(13)
Южная Африка Казахстан Индонезия
Германия У//////Л
Украина ЩШЛ-у-уЛ
Индия у^^ШШЛ +22+5+(64 Россия
Китай уШШ/Ш/ШШ^ +35+22+(176) СШАу/////////////////////////////////////////////////////////^%?<?\ +99+4+(42
+35+7+(48)
е=ю21Дж
Рис. 2. Энергетический потенциал углеводородов и число ядерных реакторов действующих, строящихся и планируемых к строительству (в скобках) в ряде стран, обладающих наибольшими запасами угля ( 0 ), нефти и газа ( □ )
В данной работе приводятся количественные данные об энергетическом потенциале и динамике исчерпания традиционных углеводородов и природного урана, полученные на основе современных геологических данных о ресурсах и темпах роста их годовой добычи.
Энергетический потенциал традиционных невозобновляемых источников энергии. К невозобновляемым энергетическим ресурсам относят ресурсы традиционные и нетрадиционные [13]. Первый тип представляют широко освоенные твер-
1 Источники данных к рис. 1 и рис. 2 [ВР, 2016; ШЫЛ, 2017]. Пересчет в энергетические единицы — авторов.
8
дые, жидкие и газообразные углеводороды (уголь, нефть, газ) и высококачественные урановые руды. Среди нетрадиционных природных источников энергии до некоторой степени условно выделяют сланцевые нефть и газ, газогидраты, растворенные в океанской воде соли урана и другие перспективные источники энергии, широкое освоение которых возможно лишь в отдаленном будущем [13]. В отечественных и зарубежных классификациях различают группы запасов (Reserves) и прогнозных ресурсов (Resources) в зависимости от степени геологической изученности (разведанности) месторождений. Термин «запасы» (Reserves) применим только к рентабельно извлекаемому сырью по действующим ценам [2; 14]. Прогнозные ресурсы оцениваются приближенно на основе геологических предпосылок. По классификации ресурсов урана, используемой в Международном агентстве по атомной энергии (МАГАТЭ), стержневым критерием является вероятная себестоимость единицы продукции (добычи урана) [2; 14]. С 2009 г. используются четыре ценовые категории себестоимости добычи урана (U): < 40 долл./кгИ, < 80 долл./кгИ, < 130 долл./кги и < 260 долл./кги [2; 14-16]. К настоящему времени ресурсы урана по себестоимости менее 40 долл./кги практически исчерпаны, а по себестоимости менее 80 долл./кги близки к исчерпанию [15].
Энергетическим потенциалом природных источников энергии называют количество тепловой энергии (Дж), которое можно получить при полном сгорании «достоверных запасов» (Proved Reserves) углеводородного топлива (угля, нефти, природного газа) и при полном делении природного урана (только его изотопа уран-235 или суммы изотопов уран-235 и уран-238 с учетом бридинга последнего в плутоний-239). Если воспользоваться геологическими данными компании British Petroleum (ВР) о запасах углеводородов [17] и данными Всемирной ядерной ассоциации (WNA) о ресурсах урана по себестоимости до 260 долл./кги [16; 18], а также данными о калорийности топлива, то можно оценить энергетический потенциал традиционных (природных) источников энергии (табл. 1). Согласно данным табл. 1, энергетические потенциалы запасов нефти, природного газа и урана-235, на котором работает современная ядерная энергетика, сопоставимы и находятся в диапазоне 4-10 ЭДж (ЭДж=Эксаджоуль=1018 Дж). Энергетический потенциал запасов угля почти в пять раз превышает потенциал урана-235 и составляет более 20 ЭДж.
Таблица 1
Энергетический потенциал мировых запасов традиционных природных источников энергии
Ресурс Объем ресурса Калорийность, МДж/кг*МДж/куб. м Энергетический потенциал, ЭДж = Эксаджоуль=1018 Дж Доля энергетического потенциала, %
без бридинга U-238 с бридингом U-238 без бридинга U-238 с бридингом U-238
Уголь 891 Гт 25 22300 51 3,3
Газ 186 трлн. куб. м 39* 7254 16 1,1
Нефть 238 Гт 42 10000 23 1,5
Уран-238 7 800 кт 0,8-108 0 624 000 0 93,4
Уран-235 55 кт 0,8-108 4400 10 0,7
ИТОГО: 43954 668000 100 100
Источник: [16-18], расчет авторов.
Таким образом, несмотря на некоторую неопределенность современных геологических данных об извлекаемых запасах углеводородов и урана, сегодня энергетический потенциал невозобновляемых природных источников энергии на 90% состоит из потенциала традиционных углеводородов и только на 10% из потенциала урана-235, используемого в качестве топлива для современных реакторов на тепловых нейтронах. Однако существует техническая возможность превращать большие ресурсы урана-238 в новое искусственное ядерное топливо «плутоний-239» путем облучения урана-238 нейтронами в реакторах-бридерах (например, реакторах на быстрых нейтронах). В настоящее время работают два промышленных реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем типа БН-600 и БН-800 на Белоярской АЭС в России. Эти реакторы, относящиеся к поколениям II и III, пока не в состоянии эффективно использовать ресурсы урана-238 из-за отсутствия промышленной технологии замкнутого ядерного топливного цикла. В рамках международного проекта GIF-IV [19], а также ряда национальных проектов (например, отечественного проекта «Прорыв» [20]) разрабатываются инновационные ядерно-энергетические системы с реакторами-бридерами поколения IV и замкнутым ядерно-топливным циклом. По-видимому, промышленное сооружение реакторов-бридеров начнется не ранее 30-х годов текущего века. Энергетический потенциал ядерной энергетики, базирующейся на реакторах-бридерах, увеличивается до 140 раз по сравнению с энергетическим потенциалом действующих реакторов на тепловых нейтронах. В этом случае энергетический потенциал невозобновляемых природных источников энергии на 94% будет состоять из потенциала природного урана и лишь на 6% - из потенциала традиционных углеводородов (см. табл. 1). Здесь мы не учитываем ресурсы тория-232, превышающие по массе ресурсы урана и служащие сырьем для производства (бридинга) искусственного топлива уран-233. Не рассматриваются и ресурсы дейтерия и лития, необходимые для развития термоядерной энергетики.
Период исчерпания невозобновляемьх ресурсов. Оставшееся к настоящему времени (t=0) в недрах количество ископаемого ресурса (известное по данным геологических служб, например, в тоннах) обозначим М, а скорость добычи (количество добытого в году t=0 ресурса, называемое также годовой добычей) обозначим G0 (т/год). Отношение М/00=Т0, имеющее размерность времени (год), означает период полного исчерпания ресурса при современном уровне его добычи (или период обеспеченности запасами). В западной литературе величину М/Go, характеризующую отношение ресурса к годовой добыче (Reserves-to-Production Ratio), сокращенно именуют как «R/P-ratio»:
(R /P - ratio) = M/ G0 = T0. (1)
В ежегодных отчетах компаний ВР, международной организации экспортеров нефти (ОПЕК) и других о ресурсах и добыче углеводородов приводятся величины Т0 = «R/P-ratio» как для отдельных стран, так и для мира в целом. Время исчерпания углеводородов и урана-235 (для действующих реакторов на тепловых нейтронах) составляет сейчас 51-114 лет, т.е. ограничено текущим столетием. И только в случае освоения ядерного бридинга, позволяющего использовать ресурсы урана-238, период исчерпания природного урана увеличивается на безопасную величину - более 3000 лет.
Настораживает ситуация и с технологическими металлами: период исчерпания (R/P-ratio) многих металлов, играющих важную роль в различных отраслях промышленности, включая энергетику (энергетическое машиностроение), ограничивается XXI в. [2; 6; 9]. Особенно напряженное положение складывается с ресурсами свинца, олова, цинка, лития, меди, вольфрама, марганца, никеля и ряда других металлов, период исчерпания которых (R/P-ratio) измеряется 18-40 годами (отсчитывая от 2016 г.).
Таким образом, элементарные оценки периодов исчерпания традиционных не-возобновляемых энергетических ресурсов и ряда технологических металлов свидетельствуют о приближении в середине этого столетия критической ситуации с обеспечением человечества энергией при существующей парадигме их добычи и использования. Данная ситуация выглядит еще более острой, если учесть растущую динамику добычи энергоресурсов и металлов.
Моделирование динамики исчерпания невозобновляемьх ресурсов. Рассмотрим динамику добычи некоторого невозобновляемого ресурса (нефти, газа, угля, урана, железа, алюминия и т.п.) с течением времени t, измеряемого в годах. За начало отсчета времени t=0 выбираем настоящий момент, с которого необходимо выполнить прогноз. Прошлое (история добычи) соответствует отрицательным значениям t<0, а будущее (прогнозный период) - положительным t>0. Количество добытого ресурса к некоторому моменту времени t (Cumulative Production) обозначим Q(t). Эта величина измеряется в тоннах или в объемных единицах (кубический метр, баррель и т.п.) или в энергетических единицах (ЭДж, т н. э. и др.). Полное количество данного ресурса - добытого Q(t) и остающегося M(t) в недрах - обозначим Qœ=Q+M. Скорость добычи (количество добытого в году t ресурса, называемое также годовой добычей) обозначим G(t)=dQ/dt. Эта величина измеряется в единицах (т/год или куб. м/год или ЭДж/год). В течение полного цикла добычи от начала освоения ресурса до его полного исчерпания величина Q(t) монотонно возрастает от 0 до Qœ, а величина G(t) имеет колоколообразную форму (рис. 3).
Рис. 3. Схема прогнозирования динамики добычи невозобновляемого ресурса с известным начальным уровнем добычи G0 и оставшимся в недрах количеством ресурса М по модели МИФИ. Т0 =МЮ0 - период полного исчерпания при постоянной ежегодной добыче G0 («R/P-raйo» по (1))
Модель МИФИ использует три допущения для сглаженных (трендовых) характеристик добычи [2: 7; 9]:
Уравнение материального баланса для оставшегося в недрах ископаемого М(1>0) представлено балансовым соотношением:
ад
M = | G(t)dt. (2)
0
Скорость изменения добычи dG/dt пропорциональна уровню добычи G(t), т.е.:
dG/dt = k (г) • G(t), (3)
где коэффициент Щ) - трендовый темп прироста добычи (1/год), зависящий от времени. Иногда величину Щ) называют экономической эффективностью использования ресурса, так как чем больше величина Ц{), тем выше скорость роста добычи при том же ее уровне.
Темп прироста добычи линейно уменьшается с течением времени прогноза:
к(г) = £0(1 - г/тм), (4)
где к0 - значение темпа прироста в начальной стадии прогнозного периода (при г = 0); ТМ - момент времени (от начала прогноза), когда величина темпа прироста добычи проходит через ноль и затем при г > ТМ становится отрицательной. В результате скорость изменения добычи ёО/ёг согласно (3) также проходит через ноль и становится отрицательной, т. е. в момент времени Тм добыча достигает максимума (пика добычи) Ом и затем начинает уменьшаться. Двучленная форма (4) изменения темпа добычи эквивалентна так называемой «релаксационной модели развития», учитывающей конкуренцию процессов ввода в эксплуатацию новых предприятий (скважин, месторождений) по добыче рассматриваемого ресурса и вывода (закрытия) старых предприятий. Темп прироста добычи к0 в начале прогнозного периода отражает существующие потребности в рассматриваемом ископаемом и вклад инвестиций в расширение добычи.
В итоге для динамики добычи ресурса получено аналитическое выражение в виде Гауссовой кривой (расположенной правее г=0 как на рис. 3):
0(?>0)=0м ехр[(-к0/2ТМ )-(е-Тм)2] или 0(?>0)=0м ехр[-ко№)2/2Тм]. (5) Взаимосвязь максимума (пика) годовой добычи Ом с начальным уровнем добычи О0, начальным темпом добычи к0 и периодом ТМ достижения пика добычи определяется выражениями:
0м=00 ехр(к0ТМ /2) или Тм=(2/ко) 1п(ОМОо). (6)
Введя выражения (5) и (6) в балансовое соотношение (2) для М, получим взаимосвязь важнейших параметров добычи к0, ТМ и Ом, определяющих ее динамику, с оставшимся в недрах количеством извлекаемого ископаемого М:
М= Ом Тм р(в), (7)
где безразмерный параметр е и безразмерная функция р(е) имеют вид:
^р(£)=л/*1±1г); ф(£)(8)
Функция Ф(е) называется функцией Лапласа, или интегралом вероятностей. Для практического использования данной модели, главные результаты которой представлены выражениями (5)-(8), требуется знание трех величин: 1) последнего фактического значения годовой добычи О0, являющегося начальным для прогноза; 2) величины оставшихся (на момент начала прогнозного периода) извлекаемых ресурсов ископаемого топлива (металла и т.п.) М; 3) одного из параметров к0 (начальный темп прироста добычи) или ОМ (пиковая добыча). Рассмотрим оба варианта (назовем их соответственно К и О).
Вариант К. Этот вариант удобен тогда, когда известен (или задан) начальный темп прироста добычи к0, а также известны величины М (запасы) и О0 (годовая добыча на начало прогноза). Если начальный темп добычи (на момент начала прогнозного периода) не задан, его можно оценить путем усреднения за несколько предшествующих прогнозу лет, учитывая волатильность добычи [7]. По известным величинам к0, М и О0 определяется безразмерный комплекс к0М/О0=к0Т0 и вычисляется безразмерный параметр е из трансцендентного уравнения:
к0М/О0 =рк (в); рк (в) = 2р(е)-в2 ехр(е2) = >/тс[1 + Ф(е)]-в-ехр(е2), (9) а затем определяются искомые параметры пика добычи:
Ом = О)-ехр(е2); Тм = 2е2/к). (10)
Вариант О. Этот вариант удобен, когда известно ограничение на величину пика добычи Ом (например, по технико-экономическим или геологическим причинам, или по причинам спроса и т.п.), т.е. известна величина е = ^ 1п(Ом /О0) .
Остальные расчетные параметры ^ и Тм, характеризующие прогноз динамики добычи, вычисляются по формулам:
Tм =M/Gм р(в) ; ko= 2е2 / Tм. (11)
Зная отношение ожидаемого пика добычи Gм к последнему фактическому значению годовой добычи G0 (G0 < GM), находим величину е, затем при известном значении М (запасов) вычисляем вначале время наступления пика добычи ТМ, отсчитываемое от начала прогноза, а затем начальный темп прогнозной добычи
Прогнозирование динамики исчерпания природного урана. Согласно данным Всемирной ядерной ассоциации (^ЫА) за 2016 г., известные извлекаемые ресурсы природного урана по себестоимости менее 260 долл./кги составили около 7,6 Мт (млн. т). Причем 61% ресурсов сосредоточен в четырех странах: Австралии (31%), Казахстане (12%), России (9%) и Канаде (9%). Ежегодная потребность мировой ядерной энергетики, насчитывающей 447 энергетических реакторов (на начало 2017 г.), в природном уране, из которого в результате ряда технологических операций производят ядерное топливо для реакторов, составляет около 63 кт/год. Более 82% мировой добычи природного урана в 2015 г. пришлось на пять стран: Казахстан (39%), Канаду (22%), Австралию (9%), Нигерию (7%) и Россию (5%). При реализации оптимистических планов развития ядерной энергетики в ряде стран к 2030-2040 гг. мировая годовая потребность в природном уране может возрасти до 120 кт/год и более [7; 18]. Из всей массы Qo=2,6 Мт добытого урана к концу 2015 г. около 0,2 Мт хранилось на складах. Для целей прогнозирования не только добычи, но и «предложения» природного урана для развивающейся темпом около ^0=2,5%/год мировой ядерной энергетики примем в качестве М сумму геологически разведанных ресурсов 7,6 Мт и складских запасов =0,2 Мт, а в качестве G0 - реальное потребление природного урана энергетическими ядерными реакторами, а не добычу (в 2015 г.): М = 7,8 Мт; Оо=64 кт/год; ^=0,025 1/год. Согласно формуле (9) для прогноза по «варианту К» получаем k0М / 0о=3,05. Из решения уравнения (9) е = 0,665. Тогда, согласно формулам (10), получаем искомые параметры пика «предложения» природного урана 0^100 кт/год = 57 ЭДж/год и Тм=35 лет, т.е. пик «предложения» природного урана для мировой ядерной энергетики наступит в середине века (2016+35=2051 г.) и составит 100 кт/год. В табл. 2 и на рис. 4 эти данные приведены в энергетических единицах.
К концу текущего столетия предложение природного урана сократится почти в полтора раза по сравнению с существующим. Чем выше планируемый темп развития ядерной энергетики, тем выше пик добычи урана и тем быстрее наступает исчерпание ресурса. Если будет реализован «низкий сценарий» развития ядерной энергетики в мире темпом ^=1 %/год, то в конце века добыча будет меньше на 28% по сравнению с добычей в 2015 г. Можно сказать, что в этом случае (по низкому сценарию) ресурсов природного урана хватит для работы реакторов на тепловых нейтронах действующего типа в течение столетия.
Таблица 2
Параметры динамики добычи традиционных энергетических ресурсов в XXI в. в энергетических единицах (ЭДж/год=1018 Дж/год) по модели МИФИ*
Параметр добычи Уголь Нефть Газ Уран-235 Всего
Ресурс М, ЭДж 22300 10000 7250 4400 43950
Годовая добыча в 2015 г., 00, ЭДж/год 197 198 138 36,4 569
Начальный темп в 2016 г. к0, %/год 3,0 0,8 2,8 2,5 1,6
Период исчерпания Т0=«К/Р-гайо», лет 113 50 52 121 77
Пик добычи Ом, ЭДж/год 322 205 164 57 672
Период достижения пика ТМ, лет 32 (2048 г.) 8 (2024 г.) 13 (2029 г.) 35 (2051 г.) 21 (2037 г.)
Безразразмерный параметр е 0,699 0,182 0,420 0,655 0,408
* Расчеты авторов.
Годовая добыча энергоресурсов,
G (t), Эдж/год
Удвоенные ресурсы
800
200
600
400
0
Уран
2010
2030
2050
2070
2090
Год
Рис. 4. Прогноз динамики годовой добычи традиционных энергоресурсов (угля, нефти, газа и урана) в мире в энергетических единицах (ЭДж/год=1018 Дж/год) Верхняя пунктирная кривая соответствует удвоенной величине известных извлекаемых ресурсов
Однако вклад ядерной энергетики в обеспечение возрастающих потребностей в первичной энергии будет быстро сокращаться (с текущего и без того малого вклада -около 6,4%, см. табл. 2 и рис. 4). Увеличение вклада ядерной энергии в мировое энергопотребление возможно только при условии развития ядерно-энергетических систем на основе реакторов-бридеров, способных к расширенному воспроизводству искусственного ядерного топлива (плутония-239 из урана-238 и, возможно, урана-233 из тория-232), не позднее 30-х годов ХХ в.
Динамика добычи углеводородов. Добыча нефти. По данным [17] мировые запасы нефти (Proved Reserves of Oil) оценивались в М=239 Гт (1698 млрд. барр.). Наибольшими запасами нефти обладают (% мировых запасов) Венесуэла (18), Саудовская Аравия (16), Канада (10), Иран (9,3), Ирак (8,4), Кувейт (6) и Россия (6). Запасы США составляют около 55 млрд. барр. (3,2%). Мировая добыча нефти в 2015 г. составляла около G0=91,7 млн. барр. в сутки (-33,5 Гбарр. в год). Крупнейшими производителями нефти в 2015 г. были Саудовская Аравия и США (по 13% мировой добычи) и Россия (12,4%). Мировая добыча нефти достаточно устойчиво росла за последнее десятилетие (2003-2015 гг.) темпом около 0,8% в год. Отношение запасов к годовой добыче - (R/P-ratio) - составило 51 год.
Оценим с помощью формул (5), (9)-(10) динамику исчерпания нефти с 2016 г. и, задав величину извлекаемых запасов М=1698 млрд. барр., темп прироста добычи ¿0=0,008 год-1 и уровень годовой добычи G0=33,5 млрд. барр. в год, согласно данным [17]. По формулам (9) и (10) определим пик добычи нефти GM — 205 Эдж / год — 34,6 Гбарр. в год (— 95 Мбарр. в сутки), который всего на 3,3% превышает добычу в 2015 г. и наступит через ТМ — 8 лет, т.е. в 2024 г. (см. табл. 2) Затем добыча нефти начнет сокращаться нарастающим темпом, что приведет к ее почти полному исчерпанию к концу текущего века (см. рис. 4). Если предположить, что извлекаемые ресурсы нефти вдвое больше, чем в рассмотренном примере (что маловероятно), то пик добычи немного увеличится (до 36 Гбарр. в год) и сдвинется к 2036 г., а к концу века добыча станет вдвое меньше, чем в 2015 г. Иными словами, удвоение ресурсов нефти (например, за счет нетрадиционных запасов) не сильно изменяет прогноз ее исчерпания.
Добыча угля. По данным [17] мировые запасы угля (Proved Reserves of Coal) на конец 2015 г. оценивались в М ~ 891 Гт. Наибольшими запасами угля обладают США (27% мировых запасов), Россия (18%), Китай (13%) и Австралия (8,6%). Мировая добыча угля в 2015 г. в единицах «тонн нефтяного эквивалента в год» составляла 3,83 Гт н. э./ год (около 7,88 Гт / год при среднемировой калорийности угля 20,6 ГДж / т, что в два раза меньше калорийности тонны нефтяного эквивалента). Заметим, что в таблицах обзора [17] калорийность угля не указывается, но изменяется от страны к стране. В настоящее время в мировую угольную промышленность наибольший вклад вносит Китай, производящий и потребляющий половину мировой добычи угля. Много угля производят (% мировой добычи) США - 12; Индия - 7,4; Австралия - 7,2; Индонезия - 6,3; Россия - 4,8; и ЮАР - 3,7. Обеспеченность текущей добычи запасами угля (R/P-ratio) в мире, по данным на конец 2015 г., составляет около 114 лет.
Оценим с помощью формул (5), (9)-(10) параметры динамики исчерпания угля. Примем за начало отсчета 2016 г., накануне которого добыча угля за год составила G0 ~ 7,9 Гт/год, а оставшийся запас М = 891 Гт [17]. За последние десять лет средний темп роста добычи угля возрос и составил ~ 3-4%/год (как в XIX в.). Принимаем k0 = 0,03 1/год. По формулам (9) и (10) определяем пик добычи угля GM ~ 12,9 Гт / год ~ 322 ЭДж / год, который на 63% превысит добычу в 2015 г. и наступит через ~ 32 года, т.е. в 2048 г. (см. табл. 2, рис. 4). К концу века добыча угля сократится более чем втрое по сравнению с пиковой и приблизительно в два раза по сравнению с настоящей добычей.
Добыча природного газа. По данным [17] мировые запасы природного газа (Proved Reserves of Natural Gas) на конец 2015 г. оценивались в М = 187 • 1012 куб. м. Наибольшими запасами природного газа обладают Иран (18% мировых запасов), Россия (17%), Катар (13%) и Туркменистан (9,4%). Мировая добыча природного газа в 2015 г. составляла около 3,54 -1012 куб. м/год. Крупнейшими производителями природного газа в 2015 г. стали США (22%), Россия (16%), Иран (5,4%), Катар (5,1%), Канада (4,6%). Отношение запасов к добыче природного газа в мире, по данным за 2015 г., составляет 53 года.
Оценим с помощью формул (5), (9)-(10) динамику исчерпания ресурсов природного газа. За последние десять лет средний темп прироста добычи природного газа составил k0 ~ 2,8% в год. По формулам (9)-(10) при М = 186 • 1012 куб. м и G0 ~ 3,54 -10 куб. м/год находим, что пик добычи газа GM ~ 4,2 • 1012 куб. м/год ~ 164 ЭДж/год (что на =20% превышает добычу в 2015 г.) наступит через ТМ = 13 лет, т.е. в 2029 г. (см. табл. 2 и рис. 4). К концу века добыча природного газа практически прекратится. Иными словами, заметное исчерпание традиционных запасов природного газа проявится во второй половине этого века. Если предположить, что извлекаемые традиционные ресурсы природного газа вдвое больше, чем в рассмотренном примере (что маловероятно), то пик добычи увеличится на 30% до GM = 5,5 • 1012 куб. м/год и сдвинется к 2048 г. К концу века добыча станет почти вдвое меньше по сравнению с 2015 г., т.е. удвоение ресурсов газа (например, за счет нетрадиционных запасов) не меняет принципиально прогноз его исчерпания в текущем веке.
Дефицит энергоресурсов. После энергетического кризиса 1973-1975 гг., когда цена на нефть возросла в шесть раз, в развитых странах мира серьезное внимание стали уделять энергосбережению. Достаточно сказать, что внедрение в системы освещения светодиодной техники позволяет сократить расходы на электроэнергию в этом секторе потребления до десяти раз. Политика энергосбережения позволила за последние десятилетия снизить темп потребления энергии в мире практически вдвое примерно до 1,5% в год [12]. Если такие темпы роста энергопотребления со-
хранятся до конца века, то к 2100 г. годовое энергопотребление увеличится в 3,5 раза по сравнению с 2015 г. (рис. 5). Эти потребности будут существенно превышать добычу традиционных энергоресурсов, начиная с 30-х годов текущего века. При росте потребностей на уровне 1% в год дефицит ресурсов не будет ощущаться до 40-х годов, а во второй половине XXI в. дефицит будет быстро увеличиваться. Если предположить рост потребностей в первичной энергии темпом 2% в год и выше, то дефицит традиционных энергоресурсов будет нарастать катастрофически уже в ближайшее десятилетие. В маловероятном случае удвоения запасов извлекаемых энергоресурсов их дефицит также неизбежен, но он начнет заметно сказываться в 50-х годах.
Годовая потребность и добыча энергоресурсов, О (), Эдж/год
2000 -
1500
1000
0 ............... * " |'
2010 2030
Удвоение за 35 лет
Потребность к= 2%/год
' _п за 46 лет
Дефицит. - " "
Добыча
Год
за 70 лет
2050
2090
Рис. 5. Прогнозы суммарной добычи традиционных энергоресурсов и мировой потребности в первичной энергии при различных темпах ежегодного прироста потребностей (1% в год, 1,5% в год и 2% в год). Величина дефицита (штриховая линия) в энергоресурсах относится к росту потребностей темпом 2% в год
Каким энергоресурсом можно заполнить этот нарастающий глобальный дефицит? Ни солнечная энергетика, ни тем более ветровая в полной мере на эту роль не годятся. На сегодня есть одна технология, обладающая практически неограниченным ресурсом и достигшая «полупромышленного развития» - это ядерный бри-динг, т.е. расширенное воспроизводство искусственного ядерного топлива плуто-ния-239 из урана-238 (и, возможно в будущем, урана-233 из тория-232). Действующие на Белоярской АЭС два реактора на быстрых нейтронах можно рассматривать как прототипы будущих коммерческих бридеров. Однако относительно низкая скорость наработки плутония в этих реакторах и отсутствие промышленно освоенного замкнутого ядерного топливного цикла могут сдерживать скорость ввода новых реакторов для восполнения энергодефицита. Анализ возможных типов реакторов-бридеров и темпов их ввода в коммерческую эксплуатацию - это тема отдельного рассмотрения (см., например, [21]).
Выводы. 1. В настоящей работе приведены результаты прогнозирования динамики исчерпания традиционных энергетических ресурсов - углеводородов и при-
родного урана - до конца текущего века. Прогноз основан на современных геологических данных об извлекаемых ресурсах углеводородов и урана, а также на данных об их добыче до 2015 г. В качестве инструмента прогнозирования использована балансовая эконометрическая модель, разработанная авторами.
2. Все варианты расчетов показывают, что в рамках действующей парадигмы использования традиционных источников энергии их ресурсы будут в значительной мере исчерпаны до конца текущего века при существующих технологических и экономических возможностях их добычи. Причем пики добычи традиционных энергоносителей ожидаются до середины века.
3. В условиях исчерпания энергоресурсов, с одной стороны, и роста потребностей в них с другой - будет быстро нарастать дефицит традиционных энергоресурсов в 30-х или 40-х годах текущего века даже при весьма умеренных темпах роста потребностей в них (около 1% в год).
4. В настоящее время для покрытия прогнозируемого дефицита традиционных энергоресурсов есть только одна технология, обладающая в десятки раз большим потенциалом (по сравнению с другими невозобновляемыми ресурсами) и достигшая «полупромышленного развития» - это ядерный бридинг - расширенное воспроизводство искусственного ядерного топлива. В случае его промышленного освоения энергетический потенциал невозобновляемых источников энергии будет на 94% состоять из потенциала природного урана и лишь на 6% - из потенциала традиционных углеводородов. Однако не вполне ясно, какие именно типы реакторов-бридеров и связанные с ними топливные циклы смогут стать коммерчески приемлемыми ядерно-энергетическими системами с высокими темпами развития для компенсации ожидаемого в 40-х годах быстрорастущего дефицита первичной энергии.
5. Говоря об «исчерпании невозобновляемых традиционных энергоресурсов», следует понимать, что речь идет об исчерпании существующих технологических и экономических возможностей их добычи в рамках действующей парадигмы их использования. Прогнозы динамики добычи ископаемых, как в масштабах отдельного месторождения, так и в масштабах отдельных регионов, стран или мира в целом, важны для своевременного принятия решений о диверсификации бизнеса и инвестиций в области энергетических ресурсов и технологий, о формировании спроса и цен на ресурсы, о снижении нагрузки на ресурсную базу социально-экономического развития.
Литература
1. Hubbert M. King. Nuclear Energy and the Fossil Fuels. American Petroleum Institute. Publication No.95. Shell Development Company. June, 1956. P.1-40. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.hubbertpeak.com/hubbert/1956/1956.pdf
2. Харитонов В.В., Кабашев К.В., Маликов Р.Р. Долгосрочные тренды исчерпания традиционных энергетических ресурсов и перспективы ядерной энергетики. М.: НИЯУМИФИ, 2016. 96 с.
3. Конторович А.Э., Эпов М.И., Эдер Л.В. Долгосрочные и среднесрочные факторы и сценарии развития глобальной энергетической системы в XXI веке //Геология и геофизика. 2014. Т. 55. № 5-6. С. 689-700.
4. Новикова О.В., ПоповаМ.Н. Анализ современных представлений о продолжительности «нефтяной эры» и прогноз нефтедобычи в России в первой половинеXXI века //Электронный научный журнал «Георесурсы. Геоэнергетика. Геополитика». 2010. Вып. 2(2). 12 с.
5. Колпаков А.Ю. Оценка пределов экспорта российского природного газа в Европу в перспективе до 2040 г. Научные труды ИНП РАН. М. 2012. С.101-118.
6. Harald Ulrik Sverdrup, Deniz Koca1 and Kristin Vala Ragnarsdóttir. Peak Metals, Minerals, Energy, Wealth, Food and Population; Urgent Policy Considerations for A Sustainable Society // Journal of Environmental Science and Engineering. B 1 (2012) 5. Pp. 499-533.
7. Харитонов В.В. Динамика развития ядерной энергетики. Экономико-аналитические модели. М.: НИЯУ МИФИ, 2014. 328 с.
8. Peak uranium. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://en.wikipedia.org/wiki/Peak_uranium
9. Харитонов В.В., Кабашев К.В. Аналитическая модель динамики добычи металлов //Цветные металлы. 2012. №10. С. 20-24.
10. Медоуз Д.Х., Рандерс И., Медоуз Д.Л. Пределы роста. 30 лет спустя. М.: ИКЦ «Академкнига», 2008. 342 с.
11. Капица С.П. История десяти миллиардов. 9 июня 2012. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.snob.ru/ magazine/entry/49621.
12. BP Energy Outlook. 2017 edition. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.bp.com/content/dam/bp/pdf/energy-economics/energy-outlook-2017/bp-energy-outlook-2017.pdf
13. Лаверов Н.П. Топливно-энергетические ресурсы: состояние, динамика освоения, обеспеченность. Ч. 1: Мир. Лекция в РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2011. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://borgolova.ampei.ru/sustainable/tek/reserves/laverov
14. Живов В.Л., Бойцов А.В., Шумилин М.В. Уран: геология, добыча, экономика. М.: РИС «ВИМС», 2012. 304 с.
15. Тарханов А.В. Современные тенденции развития мировой и российской урановой промышленности (2007-2012 гг.). «Минеральное сырье». Сер. геолого-экономическая. №33. М.: ВИМС, 2012. 53 с.
16. Uranium 2014: Resources, Production and Demand. A Joint Report by the OECD Nuclear Energy Agency and the International Atomic Energy Agency. OECD 2014, NEA № 7209. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.oecd-nea.org/ndd/pubs/2014/7209-uranium-2014.pdf
17. BP Statistical Review of World Energy. June 2016. [Электронный ресурс]. Режим доступа: bp.com/statisticalreview
18. The Global Nuclear Fuel Market: Supply and Demand 2013-2030. The World Nuclear Association, London. 2013. 248 р.
19. The Generation IVInternational Forum. [Офиц. сайт]: https://www.gen-4.org/gif/jcms/c_9260/public
20. Проектное направление «Прорыв». [Офиц. сайт]: http://proryv2020.ru/
21. Аврорин Е.Н., Адамов Е.О., Алексахин Р.М., Джалавян А.В., Драгунов Ю.Г., Иванов В.Б., Калякин С.Г., Лопаткин А.В., Молоканов Н.А., Муравьев Е.В., Орлов В.В., Рачков В.И., Смирнов В.П., Троянов В.М. Концептуальные положения стратегии развития ядерной энергетики России в XXI веке. М.: ОАО «НИКИЭТ», 2012. 62 с.
