ЕНЕРГЕТИКА СВІТУ Й УКРАЇНИ
ЕНЕРГЕТИКА СВІТУ
Енергетика є галуззю науки і промисловості, яка включає генерування, перетворення, передачу і використання різних видів енергії. Таким чином, первинною є енергія (слово “енергія” у перекладі з грецького означає “діяльність”).
У фізиці поняття “енергія” введено як назву деякої загальної міри різних форм руху матерії; різні форми руху матерії мають властивість перетворюватися з одного виду в інший. Один із найвеличніших законів природи - незникність руху, рух не може зникнути, а може лише змінити форму. Метеорит, який упав, розігріває землю, теплота випаровує воду, сонячний промінь витрачає силу свого “руху” на утворення хімічних речовин, які здатні віддати цей рух у вигляді теплоти, наприклад, під час згорання у топках або у вигляді мускульної сили під час “згорання” в організмах тварин і людей. У результаті закон незникності руху матерії став називатися загальним законом збереження енергії. Цей закон диктує нам: ми не можемо ні створювати, ні витрачати енергію - ми можемо тільки її перетворювати.
Еволюція розвитку життя на Землі, історія становлення й розвитку людства - це історія боротьби за оволодіння енергії.
Багато тисячоліть людина задовольнялася лише скромним джерелом енергії - власною мускульною силою, витрачаючи приблизно 2 тис. ккал/добу. Потім людина прилучила великих тварин, які значно полегшили її працю, навчилася видобувати і використовувати вогонь, почала створювати прості джерела механічної енергії тощо.
Індивідуальне споживання людиною енергії за добу за час її еволюції наведено в таблиці 1.1.1 [1].
Енергію, яку ми використовуємо сьогодні, отримують в основному з викопних видів палива - вугілля, нафти і природного газу, які утворені протягом мільйонів років у процесі розпаду рослин та живих організмів. Місцезнаходження цих ресурсів - надра землі. Під дією високої температури і тиску процес утворення викопних видів палива триває і сьогодні, однак їх використання відбувається набагато інтенсивніше, ніж утворення.
|
Таблиця 1.1.1 - Індивідуальне споживання людиною енергії за добу
|
Щорічно для виробництва енергії використовується більше 10000 млн т палива у вугільному еквіваленті. Близько 40 % цієї кількості припадає на нафту. Враховуючи, що крім нафти використовуються такі види палива, як вугілля і природний газ, можна зробити висновок, що більше 90 % всієї енергії, що споживається, виробляється з використанням сировини у вигляді вуглецю. Результатом такого масштабного використання викопних джерел стане нестача ресурсів у майбутньому і значний негативний вплив на довкілля.
З давнини протягом декількох тисяч років потреба людства в енергії задовольнялася за рахунок поновлювальних джерел енергії - Сонця, біомаси, гідроенергії та енергії вітру. Так, до початку індустріальної революції робилися спроби перетворити теплову енергію в механічну. Індустріальна революція була революцією енергетичної технології, що ґрунтувалася на використанні викопного палива. Процес був поступовим: від використання місцевих вугільних родовищ до експлуатації нафтових і газових родовищ у глобальному масштабі. Використання ядерної енергії почалося близько 50 років тому. Сьогодні людство від викопних палив знову повертається до використання поновлювальних джерел енергії. Баланс споживання
енергії з 1850 по 2000 pp. з прогнозом на 2010 р. показано на рисунку 1.1.1.
|
Роки Рисунок 1.1.1— Баланс використання різних видів джерел енергії у світі |
Динаміку абсолютного споживання різних видів енергії за розглянутий період показано на рисунку 1.1.2. Фундаментальна зміна в загальній картині використання енергії спостерігається в значному збільшенні попиту на енергію з середини XIX ст. Це збільшення є результатом не тільки індустріального розвитку, але й зростання чисельності населення. З 1850 по 1970 pp. населення світу зросло в
3,2 разу, використання енергії на душу населення збільшилося приблизно у 20 разів, а загальне використання традиційних форм енергії зросло більше ніж у 12 разів.
|
1900 1920 1940 1960 1980 2000 Роки |
|
250 000 200 000 100 000 |
|
Енергія сония Енергія Вітру Біомаса ^Енергія боби Атомна енергія |
|
Нафта Вугілля |
|
|
ТВт-год
|
_ |
|
|
а |
|
|
сСЗ |
|
|
Є |
СІ |
|
с; |
|
|
ао |
ш |
|
□ |
co |
|
□с |
rn |
|
о |
X |
|
d п=> |
|
ZU ш ZD СОЛИ) CU |
сЗ X
а. га
Рисунок 1.1.2 — Виробництво енергії з різних джерел
Споживання первинних енергоресурсів у світі у XX ст. збільшилося в 20,6 разу, з 700 до 14417 млн ту. п. За першу половину століття енергоспоживання зросло в 4,7 разу, за другу - в 4,4 разу.
Світове споживання енергоресурсів в 1950 - 2000 pp. наведено в таблиці 1.1.2.
|
Таблиця 1.1.2 - Світове споживання енергоресурсів у 1950 - 2000 pp.
|
Згідно з прогнозами споживання паливно-енергетичних ресурсів в 2010 році буде становити 17,5 млрд т у. п.
Вченими підраховано, що людство з початку свого існування до 70-х років XX ст. витратило близько З Q (квадрильйонів британських теплових одиниць) первинної енергії, на сьогодні використано ще приблизно 9Q. Таким чином, загальне споживання палива за всю історію цивілізації на Землі становить близько 12Q.
На початку XX ст. основним первинним викопним джерелом енергії було вугілля, його частка становила 94,4 %. Протягом століття споживання вугілля зросло в 5,55 разу, але його частка в паливному балансі світу вкінці століття знизилася до 29,6 %.
Частка нафти на початку XX ст. становила 3,8 %, в кінці - 34,1 %, споживання зросло в 162,54 разу. За першу половину століття споживання нафти збільшилося в 25,8 разу за другу - в 6,3 разу.
Споживання природного газу за 100 років збільшилося в 3229 разів, а його частка в споживанні первинних енергетичних копалин - з 1,4 до 26,5%.
В 2000 р. в структурі споживання первинних енергоресурсів перше місце займала нафта - 34,1 % від усіх використаних первинних енергоресурсів, або 4232 млн т у. п. Світові геологічні запаси нафти в 2003 р. становили 1147,7 млрд барелів (1 барель - 158,9873 л нафти). На Ближній Схід припадає 63,3 % запасів нафти, на Європу і Центральну Азію - 9,2 % (з них 6 % знаходиться в Росії), на Африку
*1Q = 1018 б. т. о.; 1 б. т. о. = 1055,07 Дж; 1Q =36,092 -109т у. п.
8
- 8,9 %, на Латинську і Центральну Америку - 8,9 %, на Північну Америку - 5,5 %, на Південно-Східну Азію та Океанію - 4,2 % всіх світових запасів нафти.
|
2000р. |
Основних експортерів та імпортерів нафти на світовому ринку в 2000 р. подано в таблиці 1.1.3.
|
Країни |
Частка видобув ання нафти, % |
Країни |
Частка спожи в ання нафти, % |
|
Саудівська Аравія |
26 |
СІЛА |
25 |
|
Ірак |
10 |
Японія |
8 |
|
Кувейт |
10 |
Китай |
7 |
|
Об’єднані Арабські Емірати |
9 |
Росія |
4 |
|
Іран |
9 |
Німеччина |
4 |
|
Венесуела |
6 |
Південна Корея |
3 |
|
Росія |
5 |
Італія |
3 |
|
Мексика |
5 |
Франція |
3 |
|
США |
3 |
Великобританія |
3 |
|
Таблиця 1.1.3 - Основні експортери та імпортери нафти у світі в |
Запаси, видобування та споживання нафти провідними в цьому напрямі країнами в 2002 р. наведено в таблиці 1.1.4.
Друге місце в ресурсному балансі світу займає вугілля, частка якого в 2000 р. становила 29,6%, що еквівалентно 3670 млн т у. п. Оцінка загальних світових геологічних запасів усіх видів вугілля становить 8620 млрд т, а додаткові потенційні ресурси - 6650 млрд т. При цьому видобувними вважаються запаси вугілля в пластах потужністю більше 0,3 м. що залягають на глибині до 2000 м. Найбільша частина запасів припадає на країни СНД (43 % від усіх запасів), Північну Америку - 29 %, країни Азії (переважно Китай) - 14,5 %, країни Європи - 5,5 %, на інші країни світу - 8 % світових запасів [2].
Основна маса видобутого в 2000 р. кам’яного вугілля припадає на першу десятку країн (млн т): Китай - 1171, СІЛА - 975, Індія - 332,
Австралія - 306, Росія - 276, Південна Африка - 225, Німеччина - 205, Польща - 162, Північна Корея - 91, Україна - 81 [3].
Таблиця 1.1.4 - Запаси, видобування та споживання нафти
|
в 2002 р. по країнах світу
|
Частку світового споживання вугілля по регіонах у кінці XX ст. наведено в таблиці 1.1.5.
|
Таблиця 1.1.5 - Частка світового споживання вугілля по регіонах у кінці XX ст.
|
Третє місце займає природний газ, частка якого в ресурсному
о
балансі становить 26, 5 %, що еквівалентно 3290 млн т у. п. Його запаси оцінюють на 140 - 170 трлн м. Запаси природного газу на 2000 р. становили 145 трлн м : 40 % - країни СНД, 33 % - країни Близького і Середнього Сходу, 6 % - Північна Америка, 4 % — Західна Європа. Об’єм видобування природного газу регіонами світу у 2002 р. наведено в таблиці 1.1.6.
|
Таблиця 1.1.6 - Об’єм видобування природного газу у світі в 2002 р.
|
Четверте місце займають енергетичні ресурси гідроелектростанцій - 5,2%, що еквівалентно 650 млн т у. п. Встановлену потужність гідроелектростанцій і виробництво електроенергії в 2001 р. по країнах світу наведено в таблиці 1.1.7 [3].
|
Таблиця 1.1.7 - Встановлена потужність та виробництво електроенергії на ГЕ С по країнах світу в 2001 р.
|
|
* Виробництво електроенергії ГЕС у відсотках загального виробництва електроенергії у світі. |
Теоретичні гідроенергетичні ресурси Землі оцінюють на 41310 ТВт-год за рік, з яких використовується близько 35% економічного потенціалу. Гідроенергетичний потенціал малих річок - 4000 млрд кВттод/рік (середньорічна потужність річок - 450 млн кВт). Гідроенергетичний потенціал світу та окремих країн наведено в таблиці 1.1.8 [4].
Важливою перевагою гідроенергетики є висока маневреність гідроагрегатів - їх можна запустити на повну потужність за дуже короткий час (40-50 с).
У світовій енергетиці широко використовуються гідроакумулюючі станції, які використовують електричну енергію в періоди спаду навантаження в енергосистемі і віддають електричну енергію в часи максимуму навантаження енергосистеми. ГАЕС має два водоймища - верхнє і нижнє. За потребою в електроенергії ГАЕС працює як звичайна ГЕС, під час зниження навантаження підключаються насоси для перекачування води із нижнього водоймища у верхнє.
|
Таблиця 1.1.8 - Гідроенергетичний потенціал світу та окремих країн
|
Сумарна потужність ГАЕС в кінці XX ст. становила (ГВт): в США - 26, Японії - 16, Італії - 6, Німеччині - 4, Росії - 1,4 [5].
П’яте місце займають енергетичні ресурси атомних електростанцій, частка яких становить 4,6 %, що еквівалентно 575 млн ту. п. Кількість діючих ядерних енергоблоків і їх потужність у країнах світу на початок 2001 р. наведено в таблиці 1.1.9 [6].
Встановлена потужність АЕС у світі на початку XXI ст. становила 11 % від повної потужності всіх електрогенеруючих установок, на них вироблялося близько 17 %.
|
Таблиця 1.1.9 - Діючі ядерні енергоблоки в країнах світу на ______________ початок 2001 р. _______________________
|
Електроенергетика є базовою галуззю економіки у всіх розвинених країнах світу. Сумарна встановлена потужність електростанцій світу на початок 2002 р. досягла 3180 ГВт, у тому числі теплових електростанцій - 66,4 %, гідроелектростанцій - 21,5%, атомних електростанцій - 11,1%. Розподіл кількості
електростанцій по регіонах наведено в таблиці 1.1.10 [7].
|
Таблиця 1.1.10 - Структура встановленої потужності електростанцій у світі у 2002 p., ГВт
|
Виробництво електроенергії на одного мешканця в деяких країнах світу в 1999 р. наведено в таблиці 1.1.11 [8].
Порівняння структури споживання енергії у світі, ЄС та Україні у 2001 р. подано в таблиці 1.1.12 [3].
Україна, як і більшість країн світу, лише частково забезпечена традиційними видами первинної енергії, а отже, змушена вдаватися до їх імпорту. Показники енергетичної залежності (%) країн Європи у 2000-2004 pp. наведено на рисунку 1.1.3 [9].
|
Таблиця 1.1.11 - Питоме виробництво електроенергії та соціальні показники в країнах світу
|
|
Таблиця 1.1.12 - Структура споживання енергії у світі, ЄС та Україні в 2001 р.
|
Рівень енергозабезпеченості країни характеризується показником питомого споживання первинної енергії на одну особу (ту. п./люд.). На рисунку 1.1.4 наведено питоме річне споживання первинної енергії в країнах світу в 2005 р. [9].
Рисунок 1.1.3 - Енергетична залежність (%) країн Європи
у 2000 - 2004 pp.
|
15,6 2005 рік
Рисунок 1.1.4 — Питоме річне споживання первинної енергії в країнах світу, т у. п./люд., в 2005 р. |
Технологічний рівень розвитку країни опосередковано характеризується показником споживання електричної енергії на одну особу (кВт(год/люд.). Питоме річне значення цього показника у країнах світу в 2005 р. наведено на рисунку 1.1.5, динаміку питомого споживання електроенергії - в таблиці 1.1.13 [9].
|
2005 рік
Рисунок 1.1.5 — Питоме річне споживання електричної енергії у країнах світу, кВт год/люд., в 2005 р. |
|
Таблиця 1.1.13 - Динаміка питомого річного споживання електроенергії в країнах світу
|
В 1990 р. на одну споживану тонну умовного палива в середньому у світі вироблялося валового внутрішнього продукту (ВВП) на 3700 дол. СІЛА (за сучасним курсом у перерахунку на паритет споживчої здатності). У 2000 р. на 1 т у. п. вироблялося ВВП на 3912 дол. СІЛА, це означає, що практично за ціле століття людство не навчилося (або не зуміло) ефективно використовувати енергетичні ресурси.
Протягом XX ст. людство витрачало енергетичні ресурси менш економно, ніж на початку і в кінці століття. Так, у 1939 р. на 1 т у. п. вироблялося ВВП на 2283 дол. СІЛА, в 1950 р. - 2979 дол. СІЛА, в 1960 р. - 2847 дол. СІЛА, в 1970 р. - 2738 дол. СІЛА. Енергетична
криза 1970 - х років призвела до різкого підвищення рівня енергоефективності. З 1970 по 2000 pp. рівень енергоефективності зріс на 1174 дол. США/ту. п.
Величину ВВП і споживання енергії на одну людину в ряді країн світу за кінцевими результатами 1995 р. наведено в таблиці 1.1.14, в цій же таблиці наведено значення рівня ефективності енергоспоживання, яке є часткою від ділення двох попередніх значень (ВВП на одиницю енергії на одну людину).
|
Таблиця 1.1.14 - Валовий внутрішній продукт, споживання енергії та ефективність енергоспоживання ряду країн у ___ 1995_______________ р. ______________
|
Узагальнюючим показником рівня ефективності використання паливно-енергетичних ресурсів країни є питомі витрати первинної енергії на одиницю валового внутрішнього продукту країни
|
0,89
Рисунок 1.1.6 - Енергоємність ВВП країн світу, кг у. п./дол. США, у 2004 р. |
|
(енергоємність ВВП), значення цього показника для країн світу наведено на рисунку 1.1.6 [9]. |
З рисунка 1.1.6 видно, що енергоємність ВВП України у 2,6 разу перевищує середній рівень енергоємності ВВП країн світу.
Населення світу в 1990 р. становило приблизно 5 млрд осіб. За оцінками ООН, чисельність населення зросте приблизно до 8 млрд до 2025 р. і стабілізується до кінця століття на рівні 10-12 млрд людей. За розрахунками вчених, світова енергетична потужність на душу населення в 2020, 2050 і 2100 pp. становитиме відповідно 5,8, 8,3 і
9,6 кВт/люд. і в наступні роки стабілізується на рівні 10 кВт/люд. Тому споживання енергії у світі у 2020, 2050 і 2100 pp. становитиме
відповідно 43,95-1013, 76,18-Ю13 і 102,55-1013 кВттод.
Згідно з повідомленням міністерства енергетики СІЛА, до 2015 р. використання нафти перевищить 100 млн барелів за добу, а питоме споживання зросте на 50 % в порівнянні з 1995 р. Планується, що використання вугілля перевищить 7,3 млрд т до 2015 p., в порівнянні з 5,1 млрд т. Природний газ буде мати найвищий коефіцієнт зростання серед викопних видів палива - 3,1 % за рік і в 2015 р. становитиме за енергоємністю приблизно 2/3 споживання нафти.
Динаміку та структуру світового споживання первинних енергоресурсів наведено в таблиці 1.1.15.
|
Таблиця 1.1.15 - Динаміка та структура світового споживання первинних енергоресурсів
|
При розгляді більш довгого терміну обсяги споживання нафти як основного на сьогодні джерела енергії почнуть знижуватися після перехідного періоду 2020-2060 pp., період використання природного газу буде трохи більшим, а основне місце в енергобалансі світу займе вугілля. При цьому експерти вважають, що використання вугілля буде відбуватися екологічно чистим способом, при якому процес газифікації стане провідним методом.
Згідно зі статистикою Британської нафтової компанії „Бритіш Пертоліум”, показнику запаси/споживання (R/P) всесвітніх викопних ресурсів відповідають такі значення:
- нафта - 40 років,
- природний газ - 62 роки,
- вугілля - 224 роки.
Згідно з іноземними джерелами, за рівнями світового видобування 1990 р. (млрдту. п.): вугілля - 3,1, нафта - 4,1, газ - 0,9; запасів вугілля вистачить на 240 років, нафти - на 50 років і газу на 150 років.
Згідно з прогнозами [10], запаси нафти будуть вичерпані приблизно через ЗО років, газу - в межах 50 років, а вугілля вистачить для всього світового суспільства приблизно на 200 років.
За оцінками Світової енергетичної ради, розвідані запаси традиційних енергоносіїв можуть бути вичерпаними, відповідно до даних таблиці 1.1.16 [11].
|
Таблиця 1.1.16 - Забезпечення потреби в енергії розвіданих запасів енергоносіїв (у роках)
|
Ресурс розвіданих запасів урану становить 3,5 млн т, крім того, уран у дуже низькому ступені вмісту є в покладах фосфату, де запаси урану дорівнюють приблизно 22 млн т [3]. Таким чином, запаси урану в цілому можуть покрити потребу в ньому протягом приблизно 300 років за рівнем споживання електроенергії 2004 р. Тим більше, якби повний цикл рециркуляції ядерного палива використовувався у високотемпературних газових реакторах на швидких нейтронах, то кількість урану була б приблизно в 100 разів меншою, ніж у водяному реакторі.
Використання атомної енергетики у світі є суперечливим: з одного боку, побоювання повторення катастрофи, подібної до Чорнобильської, накопичення відходів ядерної промисловості та труднощі їх захоронения; з другого боку, потреба в електроенергії при подорожчанні традиційних енергоносіїв та їх вичерпаності в майбутньому, підвищення рівня надійності сучасних атомних реакторів, застосування розроблених технологій захоронения радіоактивних відходів. Щодо останнього, то низькоактивні відходи розміщуються в приповерхневих сховищах, яких вже нараховується у світі близько 200. Варіант захоронения відходів високої активності розроблено в США, де відходи зберігаються на глибині 700 м у соляних формаціях.
Таким чином, у цьому столітті відбудеться перебудова енергетики з орієнтацією на традиційний енергоносій у вигляді вугілля, триватиме розвиток атомної енергетики й активно впроваджуватимуться поновлювальні джерела енергії.
Майстерня своєї справи