Світова енергетика. Частина I

Наша цивілізація заснована на споживанні енергії. Не в останню чергу - електричною.

Сучасна цивілізація існує в основному завдяки використанню величезної, порівняно з більш ранніми часами, кількості енергії в різноманітних машинах в широкому сенсі цього слова. Більш того, споживання енергії людства постійно зростає. При цьому енергія в придатній до вживання формі є обмеженим ресурсом, так що відносна доступність енергії має серйозний вплив на розвиток як окремих країн, так і цивілізації в цілому.

Існує кілька організацій, які ведуть регулярний статистичний облік виробництва і споживання енергії. У даній статті, зокрема, використовуються дані Міжнародного енергетичного агентства (IEA). Висновки і прогнози різних організацій часто цитуються, але при цьому рідко пояснюється, яким чином і на яких принципах вони будуються, що відкриває простір для невірних інтерпретацій. У цій статті ми намагатимемося виправити це упущення.

Первинна енергія

При врахуванні енергії виникає одна складність - до споживання енергії в її кінцевій формі вона проходить через ланцюжок перетворень, іноді досить довгий. Електрочайник кип'ятить воду - відбувається споживання енергії у формі тепла, перетвореної з енергії у формі електрики в мережі. У свою чергу в цю форму енергія була перетворена з механічної форми - енергії обертання турбін на електростанції, а та була отримана з теплової енергії пара, отриманої шляхом спалювання якогось палива, тобто з потенційної хімічної енергії. У такій, здавалося б, простій справі виявилося відразу п'ять етапів перетворення енергії; причому на кожному етапі частина енергії, звичайно ж, втрачається, так що споживання енергії в кінцевій формі завжди істотно менше, ніж її виробництво. На якому етапі вести облік?

У зв'язку з описаною складністю, в енергетичній статистиці фіксується виробництво і споживання енергії по можливості ближче до початку ланцюжка, у формі так званої первинної енергії. Відстежується тільки два види перетворення первинної енергії: електрогенерація, тобто виробництво електричної енергії, і теплогенерація, тобто виробництво теплової енергії (без подальшого перетворення в будь-яку іншу форму). Подальші перетворення енергії в статистиці не враховуються.

Більш детально пояснимо поняття первинної енергії трохи пізніше, а поки перерахуємо види джерел первинної енергії:

Невідновлювані, в тому числі:

• Викопне паливо, в тому числі:
  • Нафта
  • Природний газ
  • Вугілля
• Атомна енергетика

Відновлювані, в тому числі:

• Гідроенергетика
• Біопаливо/біомаса
• Сонячна енергетика
• Вітроенергетика
• Геотермальна енергетика тощо.

У нашому списку можна побачити поділ джерел на відновлювані і невідновлювані. Під відновлюваністю джерела передбачається його потенційна невичерпність у масштабах людської діяльності. Звичайно, це поділ багато в чому умовно. Так, наприклад, викопне паливо насправді в надрах Землі формується (тобто відновлюється) постійно, просто робить воно це за мірками наших енергетичних потреб настільки повільно, що намагатися його використовувати відновлюваним способом абсолютно безглуздо. Більш важливий приклад - це біопаливо, яке включає в себе таку банальну річ як дрова. Джерелом дров, як відомо, є ліс, і його люди насправді легко можуть вичерпати, так що відновлюваним він є тільки до певної межі. Тим не менш, розділення це важливе і часто використовується.

Для викопного та біологічного палива кількість первинної енергії визначається дуже просто: це питома теплота згоряння, помножена на масу палива. Питома теплота згоряння викопного палива залежить від вмісту в ньому водню: для метану, в якому на один атом вуглецю припадає чотири атоми водню, вона дорівнює 50 МДж/кг; для вугілля, в якому на один атом вуглецю припадає приблизно нуль атомів водню - близько 30 МДж/кг; для нафти - приблизно посередині. Зрозуміло, що на практиці теплота згоряння для різних сортів одного і того ж палива може бути дещо різною, і в статистиці це, по можливості, враховується.

Всі інші, нетопливні, джерела енергії використовуються практично тільки для електро- і теплогенерації. Первинна енергія для них трохи по-різному. У тих випадках, коли електрика виробляється з теплової енергії, то саме вона рахується за первинну. Так відбувається в атомній енергетиці, а також на геотермальних і геліотермальних електростанціях. Якщо ж електрика генерується безпосередньо з природного джерела, то первинною вважається власне сама вироблена електроенергія. Так відбувається в гідро- і вітроенергетиці, а також фотовольтаїці (вид сонячної енергетики).

Для вимірювання первинної енергії використовуються різні одиниці. Ми будемо використовувати так звану тонну нафтового еквівалента (тне), рівну 41,868 ГДж. Передбачається, що така кількість теплової енергії виділяється при згорянні однієї середньостатистичної тонни нафти. Тисяча кубічних метрів природного газу містить в середньому близько 0,8 тне. Також одна тонна нафтового еквівалента дорівнює 11 630 кіловат-годин. Якщо ви знаєте, скільки кіловат-годин у вас вдома набігає за місяць за електричним лічильником, то ви зможете уявити собі, яка кількість енергії містить 1 тне.

Виробництво енергії: тепло- та електрогенерація

Приблизно 40% первинної енергії сьогодні використовується в ході тепло- та електрогенерації. Ці процеси розглядають разом з причини широкого застосування в енергетиці когенерації - спільного виробництва корисного тепла і електрики, наприклад, на теплоелектроцентралі (ТЕЦ). ТЕЦ є різновидом теплової електростанції (ТЕС). ТЕЦ відрізняється тим, що на ній тепло відпрацьованого пара передається в тепломережу, а на інших ТЕС - в навколишнє середовище. За рахунок цього коефіцієнт корисної дії (ККД) у ТЕЦ помітно вище і досягає 50-60%, порівняно з 30-40% у звичайних ТЕС. Але давайте розглянемо за порядком наявні сьогодні в нашому розпорядженні способи генерації електрики і тепла.

ТЕС існують з кінця 19 століття і влаштовані досить просто. За рахунок спалювання палива вода в котлі перетворюється на пар з дуже високою температурою і тиском. Цей пар прямує на лопатки турбіни і тим самим обертає її. Обертання передається на вал електрогенератора з закріпленими на ньому магнітами; обертове магнітне поле створює електричний струм у замкнутому провіднику відповідно до закону електромагнітної індукції. Відпрацьований пар з турбіни потрапляє в конденсатор, де охолоджується і перетворюється назад на воду, яка потім знову надходить в котел.

Вище описано принцип дії ТЕС з паротурбінною установкою. Існують ще й газотурбінні установки: у них турбіну обертають безпосередньо продукти згоряння палива у вигляді потоку розпечених газів (таким чином, газова турбіна є двигуном внутрішнього згоряння, а парова - зовнішнього). Найвищий ККД досягається на комбінованій парогазовій установці, що складається з двох двигунів у тандемі; у цій установці все ще гарячі відпрацьовані гази з газової турбіни використовуються для нагріву котла парової турбіни.

Взагалі електрогенератору байдуже, що саме обертає його вал, так що комбінація будь-якого теплового двигуна (в тому числі поршневого) з електрогенератором становить теплову електростанцію того ж типу, що і двигун. Власне кажучи, принцип той же і для більшості нетеплових електростанцій: спочатку за допомогою якого-небудь двигуна енергія зі своєї вихідної форми перетворюється на механічну, а потім перетворюється на електричну енергію за допомогою електрогенератора.

Паливом для ТЕС служать вугілля, природний газ і, набагато рідше, нафтопродукти (мазут або дизель). У газотурбінних і парогазових ТЕС використовується в основному природний газ; вугілля використовується практично тільки на ТЕС з паротурбінними установками. Існують також ТЕС, що працюють на біопаливі. Це можуть бути відходи деревообробки або сільського господарства у вигляді пресованих гранул, а також біогаз - продукт життєдіяльності бактерій, переробних різні біологічні відходи, у тому числі побутові та каналізаційні.

На атомній електростанції (АЕС) в ролі котла для створення пари високого тиску виступає ядерний реактор, що використовує енергію розпаду ядер радіоактивних ізотопів в ході ланцюгової реакції. Більше АЕС нічим принципово не відрізняється від паротурбінної ТЕС - отриманий пар надходить на турбіну, і так далі. На АЕС також може бути реалізована когенерація тепла і електрики, тоді вийде атомна теплоелектроцентраль - АТЕЦ. Ядерне паливо виробляється з урану, що видобувається на відповідних родовищах з кінцевими запасами. Це означає, що атомна енергетика є невідновлюваним джерелом енергії.

Всі інші способи тепло- і електрогенерації використовують відновлювані джерела енергії. Так, на гідроелектростанції (ГЕС) вал електрогенератора обертає, як неважко здогадатися, гідротурбіну. У свою чергу остання обертається за рахунок енергії напору води. Гребля на ГЕС потрібна для того, щоб створити необхідний перепад висот. Якщо ухил річки досить великий (як часто буває в горах), то можна обійтися і без греблі.

На сонячних електростанціях, як правило, використовується явище фотоелектричного ефекту: частинки світла (фотони) певної енергії (довжини хвилі) можуть вибивати електрони з атомів певним чином організованої речовини (зазвичай напівпровідникові фотоелементи, зібрані в сонячні батареї). Така технологія називається ще фотовольтаїкою. Вона вигідно відрізняється від інших способів виробництва електроенергії повною відсутністю рухомих деталей - енергія сонячного випромінювання безпосередньо перетворюється в електричну, минаючи стадію механічної енергії.

Інший різновид сонячної енергетики - це геліотермальні електростанції, на яких енергія сонця збирається у вигляді тепла і використовується опосередковано для електрогенерації за принципом звичайних ТЕС. Для збирання сонячної енергії зазвичай застосовуються системи лінз і дзеркал - це так звані сонячні електростанції концентруючого типу (CSP).

Вітряні електростанції перетворюють на електрику механічну енергію обертання лопатей вітрогенератора під дією вітру. Вітрогенератор цілком очікувано складається з вітротурбіни і електрогенератора. Циркуляція атмосфери Землі, тобто вітер, існує в основному через нерівномірний нагрів земної поверхні Сонцем. Отже, як і сонячна електростанція, вітрогенератор використовує відновлювану енергію Сонця.

Існують також геотермальні електростанції, влаштовані аналогічно тепловим, але використовують для нагрівання котла енергію гарячих підземних вод. Тепло геотермальних джерел можна використовувати і безпосередньо для обігріву. Через те, що температура підземних вод порівняно невелика, ККД геотермальних електростанцій досить низький - всього близько 10%.

Нарешті, приливні і хвильові електростанції використовують, відповідно, енергію морських припливів/відливів і хвиль. У сукупності ці способи отримання електроенергії можна назвати морською енергетикою.

У 2013 році всього в світі було згенеровано і спожито 23318 терават-годин (або 2008 млн тне) електроенергії, а також 354 млн тне теплоенергії; в сумі тепла і електрики виходить 2362 млн тне. При цьому було витрачено 5115 млн тне первинної енергії в різних формах. Таким чином, середній ККД тепло- та електрогенерації (відношення виробленої енергії до первинної) склав 46%.

На малюнку 1 наведена діаграма використання різних видів первинної енергії для тепло- та електрогенерації. З діаграми видно, що викопне паливо (тобто вугілля, нафта і природний газ) становить три чверті витрачається в цих цілях первинної енергії. Решта чверть припадає на атомну і відновлювану енергетику. Малюнок 1. Використання первинної енергії за джерелами для тепло- та електрогенерації в 2013 році (всього 5115 млн тне).

Однак якщо подивитися на діаграму розподілу за джерелами власне самої виробленої електроенергії (малюнок 2), то картина буде помітно відрізнятися в силу того, що різні способи електрогенерації мають різний ККД (в сенсі відношення виробленої електроенергії до первинної). Так, ККД фотовольтаїки, а також гідро- і вітроенергетики в рамках енергетичної статистики вважається рівним 100%: як вже говорилося, під первинною енергією у цих джерел розуміється власне отримана електроенергія. Практично за всіма іншими джерелами - первинною енергією є тепло, яке перетворюється на електричну енергію через механічну. Електричний ККД цього процесу залежить від типу використовуваного теплового двигуна і температури, що досягається, і становить у середньому близько 30 - 40%. Крім того, з цих джерел виробляється також і корисне тепло, яке в дані малюнка 2 не включено. Малюнок 2. Вироблена електроенергія за джерелами в 2013 році (всього 2008 млн тне або 23318 ТВт * год).

У підсумку на малюнку 2 частка гідроенергетики зросла до 16%, а частка вітроенергетики стала, принаймні, помітною - 3%. Частка сонячної енергетики все ще ховається серед 1% «інших». Для нас, звичайно, важливіше саме те, яку частку виробленої електроенергії нам дає те чи інше джерело, тому в діаграмі на малюнку 2 більше практичного сенсу, ніж в діаграмі на малюнку 1. А дещо неочевидним поняттям первинної енергії зручно користуватися, якщо необхідно, наприклад, занизити значення відновлюваних джерел. Але це зовсім не означає, що поняття погане і непотрібне. Справа в тому, що на тепло- і електрогенерацію витрачається лише близько двох п'ятих використовуваної в усьому світі первинної енергії; решту ми витрачаємо іншими способами.

Споживання первинної енергії

На малюнку 3 наведена схема світового споживання енергії в 2013 році з виділенням проміжного етапу тепло- та електрогенерації. На схемі видно, що всього на всі потреби за рік було витрачено 13559 млн тне первинної енергії. У тому числі 5115 млн тне первинної енергії було витрачено на тепло- та електрогенерацію, що дало в результаті 2362 млн тне готової до споживання тепло- та електроенергії, а 2753 млн тне енергії було втрачено в процесі генерації. У так званому енергетичному секторі - на видобуток і переробку енергоносіїв, виробництво енергії, перетворення енергії з одного виду в інший, а також транспорт енергії у вигляді тепла і електрики - було витрачено 1686 млн тне енергії, у тому числі 1291 млн тне первинної енергії і 395 млн тне вторинної, тобто згенерованого тепла і електрики. Решта 7153 млн тне первинної енергії було спожито в різних секторах економіки іншими способами; з урахуванням 1967 млн тне вторинної (згенерованої) енергії загальне кінцеве споживання енергії склало 9120 млн тне. Малюнок 3. Схема світового споживання енергії за джерелами в 2013 році. Всі значення в млн тне.

Пройдемося більш детально по секторах споживання енергії в розрізі її джерел.

Назва сектора «промисловість» говорить сама за себе. Енергія в цьому секторі в основному споживається в металургійній, хімічній і нафтохімічній промисловості, а також при виробництві будівельних матеріалів (цементу) і целюлозно-паперовому виробництві. Однак споживання енергії при перевезенні товарів, а також видобутку і переробці викопного палива сюди не входить. Крім того, споживання енергоносіїв відноситься до даного сектору тільки в тому випадку, коли вони використовуються саме як енергоносії, а не як сировина або вихідний матеріал для виробництва.

Викопне паливо в промисловості використовується в основному для нагріву, тобто коли технологія виробництва вимагає високої температури. Відомий всім приклад - виплавка металів. Нагрів необхідний і при виробництві цементу (барабанні печі), а також на певних етапах хімічного і нафтохімічного виробництва. Крім того, використання нафтопродуктів в якості палива для будівельної та іншої спеціальної техніки теж відображається в даному секторі. Біоенергетика в промисловому секторі - це, в основному, утилізація деревних відходів у лісозаготівельній, деревообробній та целюлозно-паперовій промисловості.

Транспортний сектор включає споживання енергії в дорожньому, повітряному, водному, залізничному та трубопровідному транспорті. До цього сектору не належить споживання палива технікою, основним призначенням якої є не перевезення пасажирів і вантажів, а інша діяльність, наприклад, будівництво, видобуток корисних копалин, лісозаготівлі, рибальство тощо. Близько 40-50% енергії в даному секторі споживається легковими автомобілями.

У транспортному секторі очікувано більше 90% енергії дає нафту, тобто паливні нафтопродукти: бензин, дизельне паливо, гас, мазут тощо. Велика частина того, що залишився - це природний газ у різних формах. Застосування біопалива та електроенергії на сьогоднішній день ледь помітно, незважаючи на те, що, зокрема, електровози в залізничному і трамваї з тролейбусами в міському транспорті досить широко застосовуються вже багато десятків років.

У сектор з не цілком прозорою назвою «будівлі» включається енергія, витрачена в житлових і різного роду громадських (але не промислових) будівлях з метою обігріву, охолодження, гарячого водопостачання, освітлення, а також для роботи побутових приладів та обладнання для приготування їжі. Близько 40-45% виробленої тепло- та електроенергії витрачається саме в цьому секторі, більше, ніж у будь-якому іншому. Порівняно висока частка природного газу пояснюється, очевидно, застосуванням кухонного газу. Також в даному секторі споживається більше 60% всієї первинної біоенергії. В основному це деревне та інше тверде біопаливо, дуже широко використовуване, зокрема, в традиційних суспільствах так званих країн, що розвиваються. Таким чином, на сьогоднішній день під модним словом «біоенергетика» ховаються, здебільшого, дрова і сухий гній.

Нарешті, в сектор «інше» входить споживання енергії в сільському господарстві і подібних йому галузях (рибальство, лісове господарство). У цьому ж секторі враховується використання викопного палива не для отримання енергії, а в якості сировини для виробництва мастильних матеріалів, асфальту, розчинників, продуктів хімічної та нафтохімічної промисловості тощо. У цьому секторі витрачається в основному нафта, причому сюди доводиться досить значна частина її загального споживання - близько 16%.

Використання тепло- та електроенергії у всіх секторах досить прозоре. Зазначимо лише, що близько 16% виробленої електроенергії (331 млн тне) витрачається в енергетичному секторі на видобуток і переробку викопного і ядерного палива, а також втрачається при передачі по електричних мережах. Аналогічні втрати відбуваються і при передачі теплової енергії по тепломережах. Даний витрата енергії включений на схемі в так званий «енергетичний сектор».

У цьому ж «енергетичному секторі» враховуються витрати енергії на видобуток і переробку викопного палива, виробництво біопалива, перетворення палива з однієї форми в іншу (зрідження газу і вугілля, перетворення газу в рідину, газифікація вугілля і нафти), коксування вугілля, а також втрати при транспортуванні і зберіганні газу, нафти, вугілля і біопалива. Малюнок 4. Світове споживання первинної енергії в 2013 році за джерелами.

На малюнку 4 наведено розподіл світового споживання первинної енергії за джерелами відповідно до схеми на малюнку 3. Таким чином, в цілому сьогодні людство отримує більше 80% первинної енергії з викопного палива (тобто вугілля, нафти і природного газу), і більше 85% - з невідновлюваних джерел (те ж, плюс атомна енергетика). На поновлювані джерела поки що припадає менше 15% первинної енергії. При цьому слід пам'ятати, що, з одного боку, ряд відновлюваних джерел (гідроенергетика, вітроенергетика, фотовольтаїка) за визначенням мають стовідсотковий ККД, що різко збільшує їх значимість з точки зору кінцевого споживання. А з іншого боку, біоенергетика, що становить дві третини всіх відновлюваних джерел і 10% загального споживання первинної енергії, здебільшого притаманна неіндустріальним суспільствам; тому навряд чи варто пов'язувати її з інноваційністю і просунутістю, приписуваною іншим відновлюваним джерелам енергії.

Про те, які існують прогнози щодо світової енергетики, розповімо в наступній частині.