Энергетика: от прошлого к будущему

Масштабы впечатляют

Чтобы разобраться во всей многогранности современной энергетики, в качестве точки отсчета возьмем начало ХХ века. За столетие энергопотребление возросло в 11 раз, в то время как численность населения увеличилась менее чем в 4 раза. В 2000 г. мировое потребление энергии приблизилось к 15 млрд т у. т.* в год, или 2,5 т у. т. на душу населения, причем основными потребителями были экономически развитые страны.

За этот период произошла последовательная смена доминирующих энергоносителей: дрова – уголь – нефть, человечество стало использовать существенно больше видов энергоносителей.

В течение ХХ века основная стратегия развития энергетики в экономически развитых странах заключалась в централизации энергоснабжения при создании все более мощных энергетических объектов, обслуживавших громадные территории. Это диктовалось экономической целесообразностью, так как требовало относительно меньших капитальных и текущих затрат. В результате сформировались эффективно работающие протяженные энергетических системы – электроэнергетические, газо-, нефте- и теплоснабжающие.

Плюсы энергетических систем

Современная энергетика представляет собой совокупность энергетических отраслей, организованных в энергетические системы, которые производят, перерабатывают и распределяют среди потребителей топливно-энергетические ресурсы и энергию. Эти системы взаимосвязаны: выходной продукт одной является входным для другой. Так, газ – топливо для электростанций, ТЭЦ и котельных, электроэнергия используется на нефтеперекачивающих станциях и т. д.

Энергетические системы, особенно в экономически развитых странах, все более приобретают черты инфраструктурных, т. е. таких, без которых немыслимы жизнь современного человека и экономика. Одна из таких черт – возможность получить продукт или услугу требуемого качества в любом месте на планете и по доступной цене. Конечно, в этом плане энергетические системы пока уступают, например, той же телефонной связи или Интернету, но это пока…

Надежность, качество и эффективность достигаются за счет так называемых системных эффектов, наиболее хорошо изученных для электроэнергетических систем. Например, снижение установленной мощности электростанций может обеспечиваться за счет совмещения суточных максимумов нагрузки потребителей, находящихся в разных часовых поясах. Или за счет совмещения годовых максимумов, как это делается при совместной работе систем США и Канады (с максимальной летней и зимней нагрузкой, соответственно); взаимопомощи резервами и т. д. По оценкам специалистов, для Единой энергосистемы бывшего СССР суммарный системный эффект равнялся в энергетическом эквиваленте работе более пяти дополнительных Братских ГЭС.

Трудности и проблемы

Однако, как известно, за все надо чем-то платить. Энергетические системы – не исключение. Одним из новых системных свойств стало единство режимов работы энергетических систем. Это означает, что в каждый момент времени в каждом узле разветвленной сетевой структуры должен соблюдаться баланс входящих и выходящих потоков энергоресурса. И любое отклонение от обычного режима в любом из элементов (изменение нагрузки, аварийное отключение и др.) сразу же отражается на потоках всей системы.

Возникает непростая задача распределения потоков в сложной многосвязной структуре. Решать ее нужно регулярно, поскольку нагрузки в узлах меняются постоянно, и наилучшим способом (с минимумом потерь, расхода топлива и т. п.). Кроме того, следует принимать во внимание возможные сбои в работе элементов системы и неизбежные аварии, поскольку любое техническое устройство не имеет стопроцентной надежности. При сравнительно простых авариях с ситуацией помогают справиться резервы мощности, производительности, пропускной способности связей и управления. В сложных ситуациях возникают системные аварии.

Последние наиболее характерны для электроэнергетических систем вследствие практически мгновенной реакции всей системы на «возмущение». Системные аварии стали достаточно частыми с 60-х годов прошлого столетия. Одна из последних подобных катастроф аварий произошла в 2003 г. в Северной Америке. В результате 50 млн жителей в восьми штатах США и в двух провинциях Канады много часов оставались без электроэнергии. В нашей электроэнергетике крупных системных аварий не было с 1957 г. и до недавних московских событий в мае 2005 г. Вообще таким авариям противодействует весьма развитая и эффективная система противоаварийного управления, которая у нас в целом намного более эффективна, чем в той же Северной Америке и в Европе.

Подобные серьезные аварии могут происходить и в системах нефтеснабжения: их причиной являются возникающие в нефтепроводах «волны давления», вызываемые гидроударом. В системах газоснабжения сложные аварии практически не происходят, поскольку давление газа в трубопроводной системе может меняться в широком диапазоне. Тем не менее в целом уязвимость всех энергетических систем, зависимость от воздействий разной природы достаточно высока.

Новое время – новые тенденции

В конце прошлого столетия к тенденции укрупнения энергетических объектов добавилась новая, прямо противоположная. Стала интенсивно развиваться «малая» энергетика. К ней относятся так называемые распределенные источники энергии – энергетические установки небольшой мощности и производительности, с малыми сроками ввода в эксплуатацию, оказавшиеся весьма конкурентоспособными.

Развитие такой энергетики стимулировалось целым рядом факторов. Во-первых, неопределенностью рыночных цен на энергоресурсы сегодня и спроса на них в будущем. Во-вторых, появлением новых высокоэффективных технологий и увеличением доли высококачественных энергоресурсов (прежде всего, газа) в энергоснабжении. Не последнюю роль сыграло и ужесточение экологических требований, стимулирующее использование возобновляемых энергоресурсов (гидроэнергии, ветра, биомассы и др.) при протекционистской политике государств.

Высокоэффективные (с КПД до 55–60 %) газотурбинные и парогазовые установки (ГТУ и ПГУ) широкого диапазона мощностей, в том числе малых – от единиц до одного-двух десятков мегаватт, стали создаваться в 80-е годы прошлого столетия. Одновременно появился большой ассортимент мини- и микро-ГТУ (от долей киловатт до нескольких десятков киловатт). На их основе начали сооружаться малые комбинированные ГТУ-ТЭЦ для совместной выработки электроэнергии и тепла, что, с точки зрения экономии энергоресурсов, еще более эффективно.

Развитие малых ГТУ-ТЭЦ происходит достаточно интенсивно. В частности, в странах Европейского Союза их мощность в 2000 г. составляла 12 % от суммарной мощности электростанций, а к 2020 г. она, согласно прогнозам, должна достигнуть 15–22 %.

В российских условиях малые ГТУ-ТЭЦ – эффективные, экологичные, с коротким сроком сооружения, быстро монтируемые установки – экономически выгодны уже сейчас, чему способствует газификация средних и малых городов и поселков. При этом, как правило, используется отечественное оборудование. В перспективе потенциальные возможности сооружения малых ГТУ-ТЭЦ вместо устаревших неэкономичных котельных в целом по стране могут составить к 2050 г. до 10–15 % от суммарной мощности электростанций.

Выгодные мини

К малой энергетике относятся и многие типы популярных ныне энергетических установок на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ). Западноевропейские страны – Германия, Дания, Великобритания, Нидерланды, Испания, Швеция, Италия – планируют к 2010 г. увеличить производство электроэнергии на базе ВИЭ в среднем более чем на 10 %, главным образом за счет использования энергии ветра. Потенциал ветровой энергетики есть и в России.

Следует заметить, что в 2000 г. в России работали всего 12 ветряных электростанций, две геотермальные установки, 59 малых ГЭС (мощностью от 0,5 до 30 мВт), около 100 мини-ГЭС (мощностью менее 500 кВт) и 11 установок на биомассе. Их суммарная мощность составила всего 0,5 % мощности всех электростанций в России и, несмотря на прогнозируемый рост, в ближайшие годы по-прежнему будет оставаться незначительной.

В нефтяном хозяйстве страны сейчас также идет активное освоение небольших нефтяных месторождений и развитие малых перерабатывающих установок. До недавнего времени в России действовало небольшое число крупных нефтеперерабатывающих заводов, использующих сложную и дорогостоящую технологию, выгодную лишь при переработке свыше 300 тысяч тонн нефти в год. Создание малотоннажных установок по производству высокооктановых бензинов оказалось экономически целесообразным с появлением новой каталитической технологии, разработанной в 1984 г. в Институте катализа СО РАН. По сравнению с традиционной технологией это позволило на треть снизить удельные капитальные затраты и эксплуатационные расходы и создать рентабельные мини-производства моторных топлив с производительностью переработки от 5 тыс. т нефти в год. Срок окупаемости таких мини-установок – всего 1,5–3 года, а обычных – 8–10 лет.

Аналогичная тенденция децентрализации наблюдается и в газовой отрасли.

Энергетические системы будущего

Согласно прогнозам, до середины нынешнего столетия и далее неизбежен значительный рост мирового потребления энергии, прежде всего в развивающихся странах. В промышленно развитых странах энергопотребление может стабилизироваться примерно на современном уровне или даже снизиться во второй половине века за счет повышения эффективности использования энергии. В России энергопотребление, возможно, будет расти до середины XXI века с последующей стабилизацией.

Структура энергетики по видам энергоресурсов, по прогнозам, качественно сохранится до середины нынешнего столетия. При этом энергетические системы будущего в связи с активным развитием малой энергетики будут отличаться от современных. Как и сейчас, они должны включать крупные источники электроэнергии (с напряжением 110 кВт), без которых невозможно снабжение электроэнергией крупных промышленных потребителей и обеспечение целесообразных темпов роста электропотребления. В то же время существенную роль будут играть установки распределенной энергетики для распределительной сети мощностью 6–35 кВт. Третий уровень – мини- и микро-установки (мини- и микро-ГЭС, ветряные, солнечные электростанции, топливные элементы и т. п.), которые подключаются на напряжении 0,4 кВт и устанавливаются у небольших потребителей, например в отдельных домах или даже квартирах.

Подобное сочетание крупных и малых источников, работающих на общую сеть, станет характерным и для других технологически единых энергетических систем – тепло-, газо- и нефтеснабжающих. Такая будущая трансформация энергетических систем существенно изменит их свойства, что поставит новые непростые задачи перед энергетической наукой. И задачи эти она обязана решить – нашим потомкам не нужны техногенные катастрофы..

Литература

Энергетика XXI века: Условия развития, технологии, прогнозы / Л. С. Беляев, А. В. Лагерев, В. В. Посекалин и др. Отв. ред. Н. И. Воропай. Новосибирск: Наука, 2004, 386 с.

Энергетика XXI века: Системы энергетики и управление ими / С. В. Подковальников, С. М. Сендеров, В. А. Стенников и др. Отв. ред. Н. И. Воропай. Новосибирск: Наука, 2004, 364 с.

Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию / Л. С. Беляев, О. В. Марченко, С. П. Филиппов и др. Отв. ред. В. И. Зоркальцев. Новосибирск: Наука, 2000, 269 с.

* т у. т. – тонна условного топлива, эквивалентная тонне хорошего угля