Вывод о мировом потреблении энергии кратко экология

Обновлено: 02.07.2024

Показана связь глобальных и локальных экологических проблем с энергетикой. Установлены глобальные критерии этих взаимосвязей – количество потребляемых ресурсов и выделяемых парниковых газов. Приведены количественные характеристики видов энергоносителей по этим важнейшим показателям.

Дана качественная и количественная оценка экологической эффективности различных источников энергии, в том числе альтернативных и возобновляемых. Показано, что с точки зрения решения глобальных экологических проблем наибольшие преимущества имеет атомная энергия.

Kлючевые слова: экологические проблемы, энергетика – угольная, газовая, нефтяная, солнечная, ветровая, ядерная, гидроэнергетика, качественная и количественная оценка экологической эффективности.

The article describes the interrelation between global and local environmental issues and energy production. The author defines global criteria for these relationships which are the amounts of resources consumed and greenhouse gases emission. He also gives quantitative characteristics of the energy materials types with respect to these key indicators.

The article presents qualitative and quantitative evaluation of the environmental efficiency of various types of energy sources including alternative and renewable ones. It is shown that the nuclear power has the greatest benefits in terms of solution of global environmental problems.

Keywords: environmental problems, power generation – coal, gas, oil, solar, wind, and nuclear, hydraulic power generation, qualitative and quantitative evaluation of environmental performance.

Потребительское отношение к природе поставило ее на грань выживания. Доминирующие схемы производства и потребления ведут к экологическому опустошению, возрастающему риску для жизни и здоровья людей из-за снижения качества окружающей среды. Основы глобальной безопасности находятся под угрозой.

Как следует из доклада Комиссии ООН по проблемам окружающей среды (UNEP), прогноз развития человечества до 2032 г. неутешителен. Под воздействием человеческой деятельности на планете произойдут необратимые изменения. Будет так или иначе деформировано более 70 % земной поверхности, безвозвратно утеряно более 1/4 всех видов животного и растительного мира, невосполнимым дефицитом станут безопасный воздух, чистая питьевая вода, ненарушенные ландшафты, уменьшится способность природы восстанавливаться после антропогенного воздействия.

Именно высокое качество природной среды является главным богатством человечества и безусловной ценностной категорией, сущностью глобальных экологических интересов. По данным ВОЗ, уже сегодня 80 % всех болезней в мире возникает из-за потребления некачественной питьевой воды, а по оценкам МАГАТЭ, ежегодно 5 млн человек умирают от болезней, связанных с потреблением загрязненной и некачественной воды. Вода вполне может стать едва ли не главной причиной будущих вооруженных конфликтов, таких же, какие сейчас возникают из-за нефти.

Даже самая поверхностная статистика, связанная с экологическим состоянием территории России, дает неутешительные прогнозы: так, на сегодняшний день более трети городского населения РФ проживает на территориях, где не проводятся мониторинговые наблюдения за загрязнением атмосферы, а более половины – в городах с высоким и очень высоким уровнем загрязнения атмосферы.

Россия вместе со всей планетой переживает серьезные экологические проблемы – растет средняя температура воздуха, отступает вечная мерзлота, наблюдаются различные проявления нестабильности климатического характера. Проблема глобального потепления со все большей очевидностью сопровождается проблемами экологических последствий, вызванными усилением экстремальных погодных условий.

Экологические проблемы в зависимости от масштаба воздействия хозяйственной деятельности человека на окружающую среду принято разделять на глобальные и локальные. Глобальные экологические проблемы непосредственно связаны с локальными экологическими проблемами (рис. 1).

Для удовлетворения потребности в энергии существуют возобновляемые и невозобновляемые источники. Солнце, ветер, гидроэнергию, приливы и некоторые другие источники энергии называют возобновляемыми, так как их использование человеком практически не изменяет их запасы. Уголь, нефть, газ, торф, уран относят к невозобновляемым источникам энергии, и при переработке они теряются безвозвратно.

В то же время такая классификация довольно условна, например, использование урана в закрытом топливном цикле ближе скорее к возобновляемому типу.

Рис. 1. Взаимосвязь глобальных и локальных экологических проблем

Глобальные экологические проблемы тесно связаны прежде всего с экономическим положением в конкретных странах, основными показателями которого являются ВВП на душу населения, а также производство и потребление энергии (табл. 1).

Наша цивилизация основана на потреблении энергии. Не в последнюю очередь — электрической.

Современная цивилизация существует в основном благодаря использованию огромного, по сравнению с более ранними временами, количества энергии в разнообразных машинах в широком смысле этого слова. Более того, потребление энергии человечества постоянно растёт. При этом энергия в годной к употреблению форме является ограниченным ресурсом, так что относительная доступность энергии оказывает серьёзное влияние на развитие как отдельных стран, так и цивилизации в целом.

Первичная энергия

При учёте энергии возникает одна сложность — до потребления энергии в её конечной форме она проходит через цепочку преобразований, иногда довольно длинную. Электрочайник кипятит воду — происходит потребление энергии в форме тепла, преобразованной из энергии в форме электричества в сети. В свою очередь в эту форму энергия была преобразована из механической формы — энергии вращения турбин на электростанции, а та была получена из тепловой энергии пара, полученной путём сжигания какого-то топлива, то есть из потенциальной химической энергии. В таком, казалось бы, простом деле оказалось сразу пять этапов преобразования энергии; причём на каждом этапе часть энергии, конечно же, теряется, так что потребление энергии в конечной форме всегда существенно меньше, чем её производство. На каком этапе вести учёт?

В связи с описанной сложностью, в энергетической статистике фиксируется производство и потребление энергии по возможности ближе к началу цепочки, в форме так называемой первичной энергии. Отслеживается только два вида преобразования первичной энергии: электрогенерация, то есть производство электрической энергии, и теплогенерация, то есть производство тепловой энергии (без последующего преобразования в какую-либо другую форму). Дальнейшие преобразования энергии в статистике не учитываются.

Более подробно поясним понятие первичной энергии чуть позже, а пока перечислим виды источников первичной энергии:

Невозобновляемые, в том числе:

Ископаемое топливо, в том числе:
- Нефть
- Природный газ
- Уголь
Возобновляемые, в том числе:
- Гидроэнергетика
- Биотопливо/биомасса
- Солнечная энергетика
- Ветроэнергетика
- Геотермальная энергетика и пр.
В нашем списке можно увидеть разделение источников на возобновляемые и невозобновляемые. Под возобновляемостью источника подразумевается его потенциальная неисчерпаемость в масштабах человеческой деятельности. Конечно, это разделение во многом условно. Так, например, ископаемое топливо на самом деле в недрах Земли формируется (то есть возобновляется) постоянно, просто делает оно это по меркам наших энергетических нужд настолько медленно, что пытаться его использовать возобновляемым способом совершенно бессмысленно. Более важный пример — это биотопливо, которое включает в себя такую банальную вещь как дрова. Источником дров, как известно, является лес, и его люди на самом деле легко могут исчерпать, так что возобновляемым он является только до определённой границы. Тем не менее, разделение это важное и часто используемое.

Для ископаемого и биологического топлива количество первичной энергии определяется очень просто: это удельная теплота сгорания, умноженная на массу топлива. Удельная теплота сгорания ископаемого топлива зависит от содержания в нём водорода: для метана, в котором на один атом углерода приходится четыре атома водорода, она равна 50 МДж/кг; для угля, в котором на один атом углерода приходится примерно ноль атомов водорода — около 30 МДж/кг; для нефти — примерно посередине. Понятно, что на практике теплота сгорания для разных сортов одного и того же топлива может быть несколько разной, и в статистике это, по возможности, учитывается.

Все остальные, нетопливные, источники энергии используются практически только для электро- и теплогенерации. Первичная энергия для них немного по-разному. В тех случаях, когда электричество вырабатывается из тепловой энергии, то именно она считается за первичную. Так происходит в атомной энергетике, а также на геотермальных и гелиотермальных электростанциях. Если же электричество генерируется напрямую из природного источника, то первичной считается собственно сама произведённая электроэнергия. Так происходит в гидро- и ветроэнергетике, а также фотовольтаике (вид солнечной энергетики).

Для измерения первичной энергии используются различные единицы. Мы будем использовать так называемую тонну нефтяного эквивалента (тнэ), равную 41,868 ГДж. Предполагается, что такое количество тепловой энергии выделяется при сгорании одной среднестатистической тонны нефти. Тысяча кубических метров природного газа содержит в среднем около 0,8 тнэ. Также одна тонна нефтяного эквивалента равна 11 630 киловатт-часов. Если вы знаете, сколько киловатт-часов у вас дома набегает за месяц по электрическому счётчику, то вы сможете представить себе, какое количество энергии содержит 1 тнэ.

Производство энергии: тепло- и электрогенерация

Примерно 40% первичной энергии сегодня используется в ходе тепло- и электрогенерации. Эти процессы рассматривают вместе по причине широкого применения в энергетике когенерации — совместного производства полезного тепла и электричества, например, на теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). ТЭЦ является разновидностью тепловой электростанции (ТЭС). ТЭЦ отличается тем, что на ней тепло отработанного пара передаётся в теплосеть, а на остальных ТЭС — в окружающую среду. За счёт этого коэффициент полезного действия (КПД) у ТЭЦ заметно выше и достигает 50-60%, по сравнению с 30-40% у обычных ТЭС. Но давайте рассмотрим по порядку имеющиеся сегодня в нашем распоряжении способы генерации электричества и тепла.

ТЭС существуют с конца 19 века и устроены довольно просто. За счёт сжигания топлива вода в котле превращается в пар с очень высокой температурой и давлением. Этот пар направляется на лопатки турбины и тем самым вращает её. Вращение передается на вал электрогенератора с закреплёнными на нём магнитами; вращающееся магнитное поле создаёт электрический ток в замкнутом проводнике в соответствии с законом электромагнитной индукции. Отработанный пар из турбины попадает в конденсатор, где охлаждается и превращается обратно в воду, которая затем снова поступает в котёл.

Выше описан принцип действия ТЭС с паротурбинной установкой. Существуют ещё и газотурбинные установки: в них турбину вращают непосредственно продукты сгорания топлива в виде потока раскалённых газов (таким образом, газовая турбина является двигателем внутреннего сгорания, а паровая — внешнего). Самый же высокий КПД достигается на комбинированной парогазовой установке, состоящей из двух двигателей в тандеме; в этой установке всё ещё горячие отработанные газы из газовой турбины используются для нагрева котла паровой турбины.

Вообще электрогенератору безразлично, что именно вращает его вал, так что комбинация любого теплового двигателя (в том числе поршневого) с электрогенератором составляет тепловую электростанцию того же типа, что и двигатель. Собственно говоря, принцип тот же и для большинства нетепловых электростанций: сначала с помощью какого-либо двигателя энергия из своей исходной формы преобразуется в механическую, а затем превращается в электрическую энергию с помощью электрогенератора.

Топливом для ТЭС служат уголь, природный газ и, гораздо реже, нефтепродукты (мазут или дизель). В газотурбинных и парогазовых ТЭС используется в основном природный газ; уголь используется практически только на ТЭС с паротурбинными установками. Существуют также ТЭС, работающие на биотопливе. Это могут быть отходы деревообработки или сельского хозяйства в виде прессованных гранул, а также биогаз — продукт жизнедеятельности бактерий, перерабатывающих различные биологические отходы, в том числе бытовые и канализационные.

На атомной электростанции (АЭС) в роли котла для создания пара высокого давления выступает ядерный реактор, использующий энергию распада ядер радиоактивных изотопов в ходе цепной реакции. Больше АЭС ничем принципиально не отличается от паротурбинной ТЭС — полученный пар поступает на турбину, и так далее. На АЭС также может быть реализована когенерация тепла и электричества, тогда получится атомная теплоэлектроцентраль — АТЭЦ. Ядерное топливо производится из урана, добываемого на соответствующих месторождениях с конечными запасами. Это означает, что атомная энергетика является невозобновляемым источником энергии.

Все остальные способы тепло- и электрогенерации используют возобновляемые источники энергии. Так, на гидроэлектростанции (ГЭС) вал электрогенератора вращает, как нетрудно догадаться, гидротурбина. В свою очередь последняя вращается за счёт энергии напора воды. Плотина на ГЭС нужна для того, чтобы создать необходимый перепад высот. Если уклон реки достаточно велик (как зачастую бывает в горах), то можно обойтись и без плотины.

На солнечных электростанциях, как правило, используется явление фотоэлектрического эффекта: частицы света (фотоны) определённой энергии (длины волны) могут выбивать электроны из атомов определённым образом организованного вещества (обычно полупроводниковые фотоэлементы, собранные в солнечные батареи). Такая технология называется ещё фотовольтаикой. Она выгодно отличается от других способов производства электроэнергии полным отсутствием движущихся деталей — энергия солнечного излучения напрямую преобразуется в электрическую, минуя стадию механической энергии.

Другая разновидность солнечной энергетики — это гелиотермальные электростанции, на которых энергия солнца собирается в виде тепла и используется опосредованно для электрогенерации по принципу обычных ТЭС. Для сбора солнечной энергии обычно применяются системы линз и зеркал — это так называемые солнечные электростанции концентрирующего типа (CSP ).

Ветряные электростанции преобразуют в электричество механическую энергию вращения лопастей ветрогенератора под действием ветра. Ветрогенератор вполне ожидаемо состоит из ветротурбины и электрогенератора. Циркуляция атмосферы Земли, то есть ветер, существует в основном из-за неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем. Следовательно, как и солнечная электростанция, ветрогенератор использует возобновляемую энергию Солнца.

Существуют также геотермальные электростанции, устроенные аналогично тепловым, но использующие для нагрева котла энергию горячих подземных вод. Тепло геотермальных источников можно использовать и напрямую для обогрева. Из-за того, что температура подземных вод сравнительно невелика, КПД геотермальных электростанций довольно низок — всего около 10%.

Наконец, приливные и волновые электростанции используют, соответственно, энергию морских приливов/отливов и волн. В совокупности эти способы получения электроэнергии можно назвать морской энергетикой.

В 2013 году всего в мире было сгенерировано и потреблено 23318 тераватт-часов (или 2008 млн тнэ) электроэнергии, а также 354 млн тнэ теплоэнергии; в сумме тепла и электричества получается 2362 млн тнэ. При этом было израсходовано 5115 млн тнэ первичной энергии в различных формах. Таким образом, средний КПД тепло- и электрогенерации (отношение произведённой энергии к первичной) составил 46%.

На рисунке 1 приведена диаграмма использования различных видов первичной энергии для тепло- и электрогенерации. Из диаграммы видно, что ископаемое топливо (то есть уголь, нефть и природный газ) составляет три четверти затрачиваемой в этих целях первичной энергии. Оставшаяся четверть приходится на атомную и возобновляемую энергетику.

Рисунок 1. Использование первичной энергии по источникам для тепло- и электрогенерации в 2013 году (всего 5115 млн тнэ).

Однако если посмотреть на диаграмму распределения по источникам собственно самой произведённой электроэнергии (рисунок 2), то картина будет заметно отличаться в силу того, что разные способы электрогенерации имеют разный КПД (в смысле отношения произведённой электроэнергии к первичной). Так, КПД фотовольтаики, а также гидро- и ветроэнергетики в рамках энергетической статистики считается равным 100%: как уже говорилось, под первичной энергией у этих источников понимается собственно полученная электроэнергия. Практически по всем остальным источникам — первичной энергией является тепло, которое преобразуется в электрическую энергию через механическую. Электрический КПД этого процесса зависит от типа используемого теплового двигателя и достигаемой температуры, и составляет в среднем около 30—40%. Кроме того, из этих источников производится также и полезное тепло, которое в данные рисунка 2 не включено.

Рисунок 2. Произведенная электроэнергия по источникам в 2013 году (всего 2008 млн тнэ или 23318 ТВт*ч).

Потребление первичной энергии

На рисунке 3 приведена схема мирового потребления энергии в 2013 году с выделением промежуточного этапа тепло- и электрогенерации. На схеме видно, что всего на все нужды за год было израсходовано 13559 млн тнэ первичной энергии. В том числе 5115 млн тнэ первичной энергии было израсходовано на тепло- и электрогенерацию, что дало в результате 2362 млн тнэ готовой к потреблению тепло- и электроэнергии, а 2753 млн тнэ энергии было потеряно в процессе генерации. В так называемом энергетическом секторе — на добычу и переработку энергоносителей, производство энергии, преобразование энергии из одного вида в другой, а также транспорт энергии в виде тепла и электричества — было израсходовано 1686 млн тнэ энергии, в том числе 1291 млн тнэ первичной энергии и 395 млн тнэ вторичной, то есть сгенерированного тепла и электричества. Оставшиеся 7153 млн тнэ первичной энергии было потреблено в различных секторах экономики другими способами; с учётом 1967 млн тнэ вторичной (сгенерированной) энергии общее конечное потребление энергии составило 9120 млн тнэ.

Рисунок 3. Схема мирового потребления энергии по источникам в 2013 году. Все значения в млн тнэ.

Пройдёмся более подробно по секторам потребления энергии в разрезе её источников.

Ископаемое топливо в промышленности используется в основном для нагрева, то есть когда технология производства требует высокой температуры. Известный всем пример — выплавка металлов. Нагрев необходим и при производстве цемента (барабанные печи), а также на определённых этапах химического и нефтехимического производства. Кроме того, использование нефтепродуктов в качестве топлива для строительной и другой специальной техники тоже отражается в данном секторе. Биоэнергетика в промышленном секторе — это, в основном, утилизация древесных отходов в лесозаготовительной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности.

Транспортный сектор включает в себя потребление энергии в дорожном, воздушном, водном, железнодорожном и трубопроводном транспорте. К этому сектору не относится потребление топлива техникой, основным назначением которой является не перевозка пассажиров и грузов, а другая деятельность, например, строительство, добыча полезных ископаемых, лесозаготовки, рыболовство и т. п. Около 40-50% энергии в данном секторе потребляется легковыми автомобилями.

В транспортном секторе ожидаемо более 90% энергии даёт нефть, то есть топливные нефтепродукты: бензин, дизельное топливо, керосин, мазут и пр. Большая часть оставшегося — это природный газ в различных формах. Применение биотоплива и электроэнергии на сегодняшний день едва заметно, несмотря на то, что, в частности, электровозы в железнодорожном и трамваи с троллейбусами в городском транспорте достаточно широко применяются уже много десятков лет.

Рисунок 4. Мировое потребление первичной энергии в 2013 году по источникам.

На рисунке 4 приведено распределение мирового потребления первичной энергии по источникам в соответствии со схемой на рисунке 3. Таким образом, в целом сегодня человечество получает более 80% первичной энергии из ископаемого топлива (то есть угля, нефти и природного газа), и более 85% — из невозобновляемых источников (то же, плюс атомная энергетика). На возобновляемые источники пока что приходится менее 15% первичной энергии. При этом следует помнить, что, с одной стороны, ряд возобновляемых источников (гидроэнергетика, ветроэнергетика, фотовольтаика) по определению имеют стопроцентный КПД, что резко увеличивает их значимость с точки зрения конечного потребления. А с другой стороны, биоэнергетика, составляющая две трети всех возобновляемых источников и 10% общего потребления первичной энергии, по большей части присуща неиндустриальным обществам; поэтому вряд ли стоит связывать её с инновационностью и продвинутостью, приписываемой прочим возобновляемым источникам энергии.

О том, какие существуют прогнозы в отношении мировой энергетики, расскажем в следующей части.

Рост производства и потребления энергии, с одной стороны – ключевое условие и индикатор экономического развития, с другой – фактор роста нагрузки на окружающую среду, рисков дефицита энергетических ресурсов и природно-техногенных катастроф.
Таким образом, актуален анализ реального положения дел и тенденций в мировой энергетике, основанный на максимально полной информации по миру в целом и отдельным регионам в пространственно-временном разрезе, и выстраивания реалистичных прогнозов на его основе.
Данное исследование посвящено решению этой задачи на первом этапе – оценки объёмов и динамики энергопотребления в мире и ключевых регионах. На основе этого могут быть обозначены возможные сценарии роста энергопотребления в мире до 2050–2100 гг.
Информационной основой для исследования является статистическая информация ведущих мировых агентств и корпораций (ООН, Международное энергетическое агентство, Всемирный банк, British Petroleum) по энергопотреблению и численности населения.
Прогнозирование энергопотребления проведено на основе выявления ключевых трендов роста и их изменений в XX – начале XXI века с региональной дифференциацией. С этой целью проведены сопоставления статистических данных и расчёты ряда производных показателей.

Динамика мирового потребления энергии
в XIX–XXI веках

Динамика мирового потребления энергии тесно связана с темпами роста населения.
Мировое потребление первичной энергии до XX века росло невысокими темпами. К 1800 году оно составляло менее 6 тыс. ТВт·ч, а к 1900 году выросло примерно вдвое, до 12 тыс. ТВт·ч в год [1]. В XX веке происходит ускорение роста энергопотребления, и к 2019 оно увеличилось до 160 тыс. ТВт·ч [2], или в 13 раз по сравнению с началом XX века.
В свою очередь, мировое население в течение XIX века выросло с 1 до 1,6 млрд [3], а к 2019 году увеличилось почти в 5 раз и достигло 7,7 млрд [4].
В то же время, если до 1970‑х годов фиксируется ускорение роста обоих показателей, то далее, в последние 50 лет, оно сменяется их устойчивым замедлением. Потребление энергии на душу населения также растёт, но, если до 1970‑х годов темпы роста увеличились, позже обозначилась тенденция к замедлению (таблица 1).

Таблица 1. Динамика численности населения и энергопотребления в мире

В то же время, в некотором диапазоне колебаний сохраняется достаточно стабильное соотношение прироста численности населения и энергопотребления (таблица 1), при этом, в отличие от других показателей, как на интервале 1800–2019 гг., так и на отрезке 1970–2019 гг. (рис. 1–2).

Рис. 1. Темпы среднего годового роста численности населения и энергопотребления в 1800–2019 гг. Рис. 2. Темпы среднего годового прироста численности населения и энергопотребления в 1970–2019 гг.

Это соотношение варьировалось в течение 1800–2019 гг. в диапазоне от 1,1 до 2. Среднее значение за весь период составило 1,6, за 1970–2019 гг. – 1,4. В среднем мы можем принять его равным 1,5. Иными словами, на каждый 1 % годового прироста населения в среднем приходится 1,5 % прироста энергопотребления.
Допустив сохранение данного соотношения на уровне 1,5 в долгосрочной перспективе и прогнозы ООН по численности населения (средний, максимальный и минимальный) до конца XXI века [4], мы можем рассчитать и вероятный уровень годового энергопотребления на этот период.
Расчёт в соответствии со средним вариантом роста населения даёт рост валового мирового энергопотребления примерно в 1,4 раза к 2050 году и в 1,7 раза – к 2100. Исходя из максимального прогноза, годовое потребление энергии человечеством должно вырасти в 1,6 раза к 2050 году и в 2,8 раза – к 2100 году (таблица 2).

Таблица 2. Расчёт мирового потребления энергии в XXI веке

Расчёт, исходя из минимального сценария, даёт рост в 1,2 раза к 2050 году, за которым, как минимум, последует прекращение роста.
Такой рост энергопотребления требует реализации масштабных и сложных решений, в том числе в возобновляемой энергетике, находящихся в разработке в настоящее время [5]. При этом, речь идёт не только о тех или иных частных решениях, но и принципиально новых подходах ко всей организации энергетики [6].
В то же время, приведённый выше расчёт не учитывает ряда реальных факторов, включая региональную специфику и неравномерность роста мировых регионов.

Динамика и прогноз потребления энергии в XXI в. с учётом региональной специфики

Подробнее региональный аспект был рассмотрен в [7]. В данном случае используем упрощённый подход, предполагающий разделение мира на три части:
Запад (в мир-системном анализе – Центр).
Субсахарская Африка (без ЮАР; периферия и глубокая периферия).
Остальной мир (преимущественно полупериферия).
Под Западом (Центром в мир-системном анализе) понимается Северная Америка (США и Канада), Европа (без государств бывшего СССР), Япония, Австралия и Новая Зеландия.
Субсахарская Африка – территория к югу от группы североафриканских арабских государств; в данном случае, рассматривается без ЮАР, относящейся к группе более развитых государств.
Остальной мир – разнородная система, включающая следующие основные макрорегионы: Китай, Индия и другие страны Южной и Юго-Восточной Азии, Ближний Восток (Западная и Юго-Западная Азия и Северная Африка), Россия и сопредельные государства бывшего СССР, Центральная и Южная Америка.
Три данные группы стран резко различаются, в том числе, показателями душевого энергопотребления (таблица 3).

Таблица 3. Показатели энергопотребления в основных мировых регионах, 2019 г.

Показатели душевого потребления энергии в странах Запада в три раза выше среднемировых и в 30 раз выше африканских. Достижение данного уровня остальным означало бы рост мирового энергопотребления к концу века до 550 тыс. ТВт·ч – в 3,5 раза, при среднем, и 780 тыс. ТВт·ч – почти в 5 раз, при максимальном варианте роста населения.
В свою очередь, в Африке душевое потребление энергии в 12 раз ниже среднемирового; более того, оно в 3,4 раза ниже среднемирового уровня 1800 года.
В то же время, тенденции энергопотребления у этих трёх групп различны. Запад прошёл пик не только абсолютного, но и душевого энергопотребления в 1990‑е годы (таблица 4), с начала XXI века оба показателя снижаются; при этом рост численности населения приблизился к нулевым отметкам.

Таблица 4. Динамика потребления энергии в странах Запада

Таблица 5. Динамика потребления энергии в странах Субсахарской Африки (без ЮАР)

По отношению к Африке данный подход также вряд ли может быть применён. Он означал бы крайне медленный рост душевого энергопотребления и сохранение континента в положении глубокой периферии с бедственным социально-экономическим положением на протяжении всего XXI века. В [7] для расчёта энергопотребления в Субсахарской Африке мы исходили из допущения о сохранении 2 %-ного роста душевого энергопотребления, однако и этот сценарий не означает качественного скачка в развитии региона; в этом случае даже среднемировой уровень 1800 года будет достигнут только во второй половине XXI века.
В связи с этим, допустим, что при благоприятных условиях регион достигнет текущего среднемирового уровня потребления без учёта Запада – около 18 000 кВт·ч к 2050 году. Это означает ежегодный рост на 8 %, что не имело прецедентов на столь длительных временных интервалах в течение XIX – начале XXI века, но, исходя из эффекта низкой базы, данный сценарий представляется возможным. Далее можно предположить снижение до 0 % в течение следующих 10 лет – до 2060 г., со стабилизацией в дальнейшем.
Что касается остального мира (таблица 6), то, при всех внутренних различиях, в целом он прошёл стадию максимального роста, маркирующую период мощного индустриального развития, и в 2010‑е годы переходит к той же тенденции к снижению, что и в странах Запада в 1970‑е, т. е. 40–50 лет назад.

Таблица 6. Динамика потребления энергии в мире (кроме Запада и Субсахарской Африки)

В данном случае, возможно допустить плавное снижение роста душевого потребления с 2,5 % до 0 % в течение ближайших 40 лет – до 2060 года, после чего – стабилизацию на нулевой отметке.
Результаты расчёта уровня потребления энергии, исходя из принятых выше допущений по регионам (Запад, Субсахарская Африка, остальной мир) и среднему варианту ООН роста населения, представлены в таблице 7.

Таблица 7. Расчёт мирового потребления энергии в XXI веке по регионам (при среднем варианте роста населения)

В данном случае мировое потребление достигает более высоких значений, чем по расчётам на основе соотношения прироста населения и энергопотребления на глобальном уровне – рост относительно нынешнего уровня в 1,8 раза к 2050 году и более, чем в 2 раза к 2100 году.
Основная причина – существенно более высокие темпы роста, заложенные в расчёт для стран Субсахарской Африки: 20‑кратный рост к середине века и почти 3‑кратный к 2100 г. Основная часть роста придётся на первую половину XXI века. Это неизбежно для преодоления отсталости в странах периферии, но вызывает серьёзные опасения экологического характера. В то же время, для данной группы стран сохраняется большой резерв роста за счёт неуглеродной энергетики, включающей атомную и возобновляемую.

Структура мирового потребления энергии
и ресурс развития неуглеродной энергетики

Вопрос структуры энергопотребления и её динамики также подробно рассматривался в [7]. Здесь мы кратко сопоставим объёмы неуглеродной энергетики в странах Запада и других регионах.
Рассмотрим Запад без учёта Канады и Австралии. Тогда это территория площадью менее 15 млн км2 с населением около 1 млрд человек. В свою очередь, Субсахарская Африка (кроме ЮАР) – территория площадью более 20 млн км2 с такой же, на данный момент, численностью населения.
В структуре энергопотребления стран Запада (без Канады и Австралии) на неуглеродные источники приходится (на 2019 год):
атомная энергия – 4 360 ТВт·ч;
гидроэнергия – 2 250 ТВт·ч;
другие ВИЭ – 4 100 ТВт·ч.
Всего: неуглеродные источники – 10 700 ТВт·ч (или 21 % в структуре энергопотребления).
На данный момент это в совокупности в 6,3 раз больше всего энергопотребления Субсахарской Африки (в т. ч. атомная – в 2,6 раза, гидроэнергетика – в 1,3 раза, другая возобновляемая энергетика – в 2,4 раза). Даже если рассматривать достигнутые Западом значения как предел роста [7], это означает наличие у субсахарского региона 6–7 кратного резерва наращивания энергопотребления только за счёт неуглеродных источников. По имеющимся данным, Субсахарская Африка начала движение именно по этому пути.
Сопоставление с другими регионами низкоширотного пояса также показывает у них наличие существенного резерва неуглеродного энергетического развития.
В частности, в Центральной и Южной Америке (территория – 20 млн км2, население – 650 млн) общее неуглеродное энергопотребление составляет 2 800 ТВт·ч в год, что в 3,8 раза ниже западного уровня. Четырёхкратный рост неуглеродного потребления в данном регионе означает рост на 70 % общего энергопотребления региона.
Страны Южной и Юго-Восточной Азии (Пакистан, Индия, страны п-ова Индокитай, Индонезия) в совокупности занимают площадь чуть менее 10 млн км2, население – около 2,3 млрд чел. Исходя из этого, их можно сопоставить со странами Западной Европы, занимающими площадь около 3 млн км2 при населении около 500 млн чел., т. е. имеющими близкие значения плотности населения. В западноевропейских странах совокупное неуглеродное энергопотребление составляет 7000 ТВт·ч (22 % в общей структуре энергопотребления), в странах ЮЮВА – 1700 ТВт·ч (9 % в структуре энергопотребления), или в 4 раза меньше. Иными словами, с поправкой на площадь и численность населения регион имеет, теоретически, 8‑кратный резерв роста неуглеродного энергопотребления – до почти 14 000 ТВт·ч, что означало бы рост общего энергопотребления почти на 70 %.
Страны Ближнего Востока (Северная Африка, Западная и Юго-Западная Азия) занимают общую площадь около 10 млн км2, население около 500 млн чел. Объём неуглеродного потребления составляет 200 ТВт·ч (1,6 % в общей структуре). Его рост до уровня Западной Европы означает рост общего энергопотребления на 55 %.
Теоретически, резервы роста неуглеродной энергетики у данных регионов существенно выше. Это связано с более высоким теоретическим потенциалом (прежде всего, солнечной энергии, а также избытком трудовых ресурсов. Опыт реализации проектов, в частности, солнечных станций в Египте, Катаре, Индии показывает и существенно меньшие инвестиционные и операционные затраты на производство энергии по сравнению с западными странами. Следует отметить, что связка между возобновляемой и атомной энергетикой [8] и, в целом, развитие многоукладной энергетики [9] являются ключевыми факторами неуглеродного энергетического развития, в том числе в данных странах.

В мире идёт смена тренда развития энергетики, проявляющаяся в прекращении роста потребления первичных энергоресурсов в странах Запада (центра) на фоне продолжения, хотя и с преобладающей тенденцией к замедлению, роста в странах Азии и Латинской Америки и признаков начала активного роста в Субсахарской Африке.
Расчёт динамики потребления энергии в XXI веке на основе эмпирического соотношения, связывающего глобальный прирост численности населения и энергопотребления, показывает рост годового энергопотребления в мире при среднем сценарии ООН по росту численности населения в 1,4 раза – до 230 тыс. ТВт·ч к 2050 году и в 1,7 раза до 270 тыс. ТВт·ч к 2100 году.
Расчёты с учётом региональной специфики, включающей потребность регионов периферии в мощном социально-экономическом развитии, дают более высокие цифры: порядка 300 тыс. ТВт·ч (почти 2‑кратный рост) к 2050 году и 340 тыс. ТВт·ч к 2100 году. Более высокие цифры связаны, в наибольшей степени, с увеличением прогнозов по росту душевого энергопотребления в Субсахарской Африке, где в данный момент оно крайне низкое – примерно в 30 раз ниже показателей стран Запада, в 12 раз ниже текущих средних мировых показателей; более того, в 3 раза ниже средних мировых показателей начала XIX века.
Возникает конфликтная ситуация между потребностями незападных регионов мира, в социально-экономическом росте, и экологическими соображениями. Вместе с тем, расчёты показывают наличие у стран полупериферии и глубокой периферии на ближайшие десятилетия существенных резервов роста энергообеспечения за счёт неуглеродной энергетики, включающей атомную, гидроэнергетику и другие возобновляемые источники. В частности, для Субсахарской Африки он может быть оценён как 6–7‑кратный, и в 55 %-70 % – для таких регионов, как Латинская Америка, Южная и Юго-Восточная Азия и Ближний Восток, что может стать существенным фактором снижения экологической нагрузки при обеспечении экологического развития.
С большой вероятностью, именно данные регионы станут ведущими по темпам роста неуглеродных энергетических мощностей в ближайшей перспективе.

Статья посвящена памяти профессора А. А. Соловьева, подсказавшего автору некоторые идеи.

История развития человечества напрямую связана с производством различных видов энергии. Первым шагом на этом пути было разжигание костров в пещерах для того, чтобы приготовить еду и обогреть жилище. Следующий скачок произошел после изобретения колеса. Но резкий рост темпа производства и потребления энергии начался в период индустриализации пару веков назад. Сегодняшний быт трудно представить без использования электричества. Но не вызовут ли катастрофы экологические проблемы энергетики?

Структура производства электроэнергии

Кратко источники электроэнергии можно разделить на три основных типа:
- полезные ископаемые (газ, нефть, уголь, сланцы);
- возобновляемые ресурсы (вода, ветер, солнце, термальные воды);
- расщепление атома.
Более 60% объема производства электричества приходится на ТЭЦ, тепловые электростанции, работающие на ископаемых источниках. Примерно по 16% производят ГЭС (гидроэлектостанции) и АЭС (атомные электростанции). Показатели выработки энергии из альтернативных источников незначительны.

Как влияет энергетика на экологию

Нет такой сферы деятельности, которая бы не зависела от электроэнергии прямо или косвенно. Польза энергетики неоспорима, и потому развивается она опережающими темпами. Но трудно отрицать и негативное воздействие этой отрасли на окружающую среду.

Несмотря на заметное отрицательное воздействие на природу в связи с наращиванием производства энергии, проблемы экологии долгое время не вызывали особого беспокойства в обществе. Но когда в середине 70-х годов двадцатого века были обнародованы обширные данные, свидетельствующие о катастрофических последствиях для климата, ученые стали уделять этой глобальной проблеме серьезное внимание.

Экологические проблемы электроэнергетики возникают как на этапе добычи топлива, так и во время производства и транспортировки энергии. Аварии на электростанциях могут вызвать экологические катастрофы, как было с Чернобыльской АЭС или АЭС Фукусима-1.

Экологические проблемы, связанные с современной энергетикой

По данным исследований самыми вредными для природы являются ТЭЦ. Но ГЭС и АЭС тоже вносят вклад в загрязнение окружающей среды. Проблемы в области экологии зависят от вида используемого топлива.
1. Открытый способ добычи угля и торфа приводит к изменению ландшафта, что в свою очередь разрушает естественную среду обитания растений и животных.
2. Нефть, разлитая во время добычи или транспортировки, убивает флору и фауну как на суше, так и в акватории океана.
3. Плотины ГЭС, строящиеся на реках, вызывают затопление огромных участков плодородных земель и лесов. Из-за того, что перекрыты пути нереста, сокращаются ценные виды рыб.
4. Высоковольтные линии электропередач, проложенные на пути миграции птиц, приводят к поражению их электрическим током.
5. Замыкания на электроустановках и проводящих линиях могут вызывать пожары, приводящие к гибели лесов и их обитателей.
6. Во время сжигания угля, нефти и газа на ТЭЦ в атмосферу выбрасываются тонны оксида серы, окислов азота и золы, состоящей из токсичных веществ, включающих мышьяк, ртуть, свинец и кадмий. Попадающий в воздух оксид углерода приводит к повышению средней температуры, грозящей глобальным потеплением на Земле.
7. Производство электричества на АЭС приводит к накоплению радиоактивных отходов, сохраняющих свои ядовитые свойства сотни лет. Инженерного решения, позволяющего их безопасно перерабатывать, пока не найдено. В случае аварии на АЭС в атмосферу попадают радиоактивные вещества, опасные для жизни. Но даже во время штатного функционирования в воздух производится выброс углерода-14, криптона-85, стронция-90 и других вредных изотопов.
Выработка электричества с помощью энергии солнца, ветра или термальных вод является менее губительной, но и она тоже наносит некоторый вред экологии. Солнечные электрогенерирующие панели изменяют ландшафт, вертяки повышают уровень шума, геотермальные станции загрязняют почвы.

Человечество не может полностью отказаться от использования электроэнергии. Но для предотвращения катастрофических последствий для окружающей среды необходимо прикладывать усилия по уменьшению негативных явлений.

Пути решения проблем

Важным способом решения экологических проблем является развитие энергосберегающих технологий. Сокращение потребности в электричестве позволит уменьшить его выработку, что позитивно скажется на природной среде.

Пристальное внимание необходимо уделять контролю за процессом производства электроэнергии. С загрязнением атмосферы можно бороться следующими способами:
- оптимизировать технологию сжигания нефти, угля и газа;
- очищать топливо, чтобы в процессе переработки выделялось меньше вредных элементов;
- фильтровать газы перед выбросом.
Важно!

Данные методы снижают КПД и увеличивают стоимость процесса производства, потому не являются достаточно эффективным решением.

Специалисты считают перспективным путем защиты природных ресурсов развитие альтернативных видов производства энергии. Солнечные, ветряные, приливные и геотермальные электростанции оказывают меньшее негативное влияние на экологию. Но они производят относительно мало электричества, их работа может зависеть от погодных факторов. Современные технологии не позволяют использовать альтернативные источники эффективно.

Так, электростанции, использующие энергию ветра, занимают очень большие площади. Они сильно шумят и обладают очень низкой мощностью. Массовое применение ветряков снижает силу воздушных потоков, что сказывается на изменении климата.

Приливные электростанции имеют низкую эффективность. Строиться они могут только на морском берегу, потому не могут служить заменой обычным электростанциям. Во время эксплуатации они меняют соляной состав воды, что наносит вред экосистеме океана, морским животным и растениям.

Геотермальные электростанции можно строить только в местах с определенными геологическими условиями. Недостатком таких установок является вероятность проседания грунта и возникновения сейсмической активности, вызванной воздействием на термальные воды. Добыча горячей воды из-под земли сопровождается выходом на поверхность газов, содержащих в том числе отравляющие вещества.

Солнечные электростанции не шумные, они не загрязняют воздух и почву выбросами. Но мощность их недостаточна для покрытия потребностей в электричестве, а работа зависит от погоды. Станции, преобразующие в электричество энергию солнца, материалоемки, но при этом имеют низкую эффективность. Максимум 20% улавливаемой энергии солнца превращается в электрическую.

Каждый способ производства электричества имеет свои достоинства и недостатки. Важной задачей современной науки является поиск новых методов производства электроэнергии, достаточно эффективных и в то же время наносящих минимальный вред экосистеме.

Энергетическая проблема человечества с каждым годом приобретает все большие масштабы. Связано это с ростом населения планеты и интенсивным развитием технологий, что обуславливает постоянно растущий уровень потребления энергоресурсов. Несмотря на использование ядерной, альтернативной и гидроэнергии, львиную долю топлива люди продолжают добывать из недр Земли. Нефть, природный газ и уголь являются невозобновляемыми природными энергетическими ресурсами, к настоящему времени их запасы уменьшились до критического уровня.

Начало конца

Глобализация энергетической проблемы человечества началась в 70-х годах прошлого столетия, когда закончилась эра дешевой нефти. Дефицит и резкое подорожание этого вида топлива спровоцировали серьезный кризис в мировой экономике. И хоть стоимость его со временем снизилась, объемы неуклонно сокращаются, поэтому энергетическая и сырьевая проблема человечества становится все острее.

К примеру, только в период с 60-х по 80-е годы ХХ века мировой объем добычи угля составил 40%, нефти – 75%, природного газа – 80% от общего объема этих ресурсов, использованных с начала столетия.

Несмотря на то что в 70-х годах начался дефицит топлива и обнаружилось, что энергетическая проблема – это глобальная проблема человечества, прогнозы не предусматривали роста его потребления. Планировалось, что объемы добычи полезных ископаемых к 2000 году возрастут в 3 раза. Впоследствии, конечно, эти планы были снижены, но в результате крайне расточительной эксплуатации ресурсов, длившейся десятилетиями, на сегодняшний день их практически не осталось.

Основные географические аспекты энергетической проблемы человечества

Одной из причин растущего дефицита топлива является утяжеление условий его добычи и, как следствие, удорожание этого процесса. Если еще несколько десятков лет назад природные богатства лежали на поверхности, то сегодня приходится постоянно увеличивать глубину шахт, газовых и нефтяных скважин. Особенно заметно ухудшились горно-геологические условия залегания энергоресурсов в старых промышленных районах Северной Америки, Западной Европы, России и Украины.

Учитывая географические аспекты энергетической и сырьевой проблем человечества, нужно сказать, что их решение заключается в расширении ресурсных рубежей. Необходимо осваивать новые районы с более легкими горно-геологическими условиями. Таким образом можно снизить себестоимость добычи топлива. При этом следует учитывать, что общая капиталоемкость добычи энергоресурсов в новых местах, как правило, намного выше.

Экономические и геополитические аспекты энергетической и сырьевой проблем человечества

Истощение запасов природного топлива стало причиной возникновения жесточайшей конкурентной борьбы в экономической, политической и геополитической сферах. Гигантские топливные корпорации занимаются разделом топливно-энергетических ресурсов и переделом сфер влияния в этой отрасли, что влечет постоянные колебания цен на мировом рынке газа, угля и нефти. Нестабильность ситуации серьезно усугубляет энергетическую проблему человечества.

Глобальная энергетическая безопасность

Это понятие вошло в обиход в начале 21-го века. Принципы стратегии такой безопасности предусматривают надежное, долгосрочное и экологически приемлемое энергоснабжение, цены на которое будут обоснованы и устраивать страны как экспортирующие, так и импортирующие топливо.

Реализация этой стратегии возможна лишь при условии устранения причин энергетической проблемы человечества и практических мер, направленных на дальнейшее обеспечение мировой экономики как традиционными видами топлива, так и энергией из альтернативных источников. Причем развитию альтернативной энергетики должно быть уделено особое внимание.

Политика энергосбережения

Во времена дешевого топлива во многих странах мира сформировалась очень ресурсоемкая экономика. Прежде всего такое явление наблюдалось в государствах, богатых минеральными ресурсами. Возглавляли этот список Советский Союз, США, Канада, Китай и Австралия. При этом В СССР объем потребления условного топлива был в несколько раз больше, чем в Америке.

Такое положение вещей требовало срочного введения политики энергосбережения в коммунально-бытовом, промышленном, транспортном и прочих секторах экономики. С учетом всех аспектов энергетической и сырьевой проблем человечества начали разрабатываться и внедряться технологии, направленные на снижение удельной энергоемкости ВВП этих стран, и перестраиваться вся экономическая структура мирового хозяйства.

Успехи и неудачи

Наиболее заметных успехов в сфере энергосбережения удалось добиться экономически развитым странам Запада. За первые 15 лет им удалось снизить энергоемкость своего ВВП на 1/3, что повлекло сокращение их доли в мировом потреблении энергоресурсов с 60 до 48 процентов. На сегодняшний день эта тенденция сохраняется, и рост ВВП на Западе опережает растущие объемы потребления топлива.

Значительно хуже обстоят дела в Центрально-Восточной Европе, Китае и странах СНГ. Энергоемкость их экономики снижается очень медленно. Но лидерами экономического антирейтинга являются развивающиеся страны. К примеру, в большинстве африканских и азиатских стран потери попутного топлива (природного газа и нефти) составляют от 80 до 100 процентов.

Реалии и перспективы

Энергетическая проблема человечества и пути ее решения сегодня волнуют весь мир. Для улучшения существующей ситуации вводятся различные технико-технологические новшества. С целью энергосбережения усовершенствуется промышленное и коммунальное оборудование, выпускаются более экономичные автомобили и т. д.

К числу первостепенных макроэкономических мероприятий относится поэтапное изменение самой структуры потребления газа, угля и нефти с перспективой увеличения доли нетрадиционных и возобновляемых энергоресурсов.

Для успешного решения энергетической проблемы человечества необходимо особое внимание уделить развитию и внедрению принципиально новых технологий, доступных на современном этапе научно-технической революции.

Атомная энергетика

Одним из наиболее перспективных направлений в сфере энергоснабжения является атомная энергетика. В некоторых развитых странах уже введены в эксплуатацию атомные реакторы нового поколения. Ученые-ядерщики сегодня опять активно обсуждают тему реакторов, работающих на быстрых нейронах, которые, как когда-то предполагалось, станут новой и значительно более эффективной волной атомной энергетики. Однако их разработка была прекращена, но ныне этот вопрос снова стал актуальным.

Использование МГД-генераторов

Прямое преобразование теплоэнергии в электроэнергию без паровых котлов и турбин позволяют выполнять магнитогидродинамические генераторы. Разработка этого перспективного направления началась еще в начале 70-х годов прошлого века. В 1971 году в Москве был произведен пуск первой опытно-промышленного МГД мощностью 25000 кВт.
- высокий КПД;
- экологичность (отсутствуют вредные выбросы в атмосферу);
- моментальный запуск.
Криогенный турбогенератор

Принцип работы криогенного генератора заключается в том, что ротор охлаждается жидким гелием, за счет чего получается эффект сверхпроводимости. К бесспорным преимуществам этого агрегата относятся высокий КПД, небольшая масса и габариты.

Опытно-промышленный образец криогенного турбогенератора был создан еще в советскую эпоху, а ныне подобные разработки ведутся в Японии, США и других развитых странах.

Водород

Электрохимические генераторы

Это топливные элементы, которые также работают на водороде. Горючее пропускают сквозь полимерные мембраны со специальным веществом – катализатором. В результате химической реакции с кислородом сам водород преобразуется в воду, выделяя химическую энергию при сгорании, которая превращается в электрическую.

Двигатели с топливными элементами отличаются максимально высоким КПД (свыше 70 %), что вдвое больше, чем у обычных силовых установок. Плюс к этому они удобны в применении, бесшумны при работе и нетребовательны к ремонту.

Управляемый термоядерный синтез

Уже несколько десятков лет ведутся исследования в области термоядерной энергетики. В основе атомной энергии лежит реакция деления ядер, а термоядерная базируется на обратном процессе – ядра изотопов водорода (дейтерия, трития) сливаются. В процессе ядерного сжигания 1 кг дейтерия количество выделяемой энергии превосходит в 10 миллионов раз аналогичный показатель, получаемый от угля. Результат поистине впечатляющий! Именно поэтому термоядерная энергетика считается одним из наиболее перспективных направлений в решении проблем глобального энергетического дефицита.

Прогнозы

Сегодня существуют различные сценарии развития ситуации в мировой энергетике в будущем. Согласно некоторым из них, к 2060 году глобальное энергопотребление в нефтяном эквиваленте возрастет до 20 млрд тонн. При этом по объемам потребления ныне развивающиеся страны обгонят развитые.

К середине 21-го века должен значительно уменьшиться объем ископаемых видов энергоресурсов, но увеличится доля возобновляемых, в частности ветровых, солнечных, геотермальных и приливных источников энергии.

Читайте также: