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.
Существует несколько организаций, ведущих регулярный статистический учёт производства и потребления энергии. В данной статье, в частности, используются данные Международного энергетического агентства (IEA). Выводы и прогнозы различных организаций часто цитируются, но при этом редко поясняется, каким образом и на каких принципах они строятся, что открывает простор для неверных интерпретаций. В данной статье мы постараемся исправить это упущение.
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
- Атомная энергетика
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.
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.
В итоге на рисунке 2 доля гидроэнергетики выросла до 16%, а доля ветроэнергетики стала, по крайней мере, заметной — 3%. Доля солнечной энергетики всё ещё прячется среди 1% «прочих». Для нас, конечно, важнее именно то, какую долю произведённой электроэнергии нам даёт тот или иной источник, поэтому в диаграмме на рисунке 2 больше практического смысла, чем в диаграмме на рисунке 1. А несколько неочевидным понятием первичной энергии удобно пользоваться, если необходимо, например, занизить значение возобновляемых источников. Но это вовсе не означает, что понятие плохое и ненужное. Дело в том, что на тепло- и электрогенерацию тратится лишь около двух пятых используемой во всём мире первичной энергии; остальную мы расходуем другими способами.
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.
Пройдёмся более подробно по секторам потребления энергии в разрезе её источников.
Название сектора «промышленность» говорит само за себя. Энергия в этом секторе в основном потребляется в металлургической, химической и нефтехимической промышленности, а также при производстве строительных материалов (цемента) и целлюлозно-бумажном производстве. Однако потребление энергии при перевозке товаров, а также добыче и переработке ископаемого топлива сюда не входит. Кроме того, потребление энергоносителей относится к данному сектору только в том случае, когда они используются именно как энергоносители, а не как сырьё или исходный материал для производства.
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.
В сектор с не вполне прозрачным названием «здания» включается энергия, потраченная в жилых и разного рода общественных (но не промышленных) зданиях в целях обогрева, охлаждения, горячего водоснабжения, освещения, а также для работы бытовых приборов и оборудования для приготовления пищи. Около 40-45% произведённой тепло- и электроэнергии расходуется именно в этом секторе, больше, чем в каком-либо другом. Сравнительно высокая доля природного газа объясняется, очевидно, применением кухонного газа. Также в данном секторе потребляется более 60% всей первичной биоэнергии. В основном это древесное и другое твёрдое биотопливо, очень широко используемое, в частности, в традиционных обществах так называемых развивающихся стран. Таким образом, на сегодняшний день под модным словом «биоэнергетика» скрываются, по большей части, дрова и сухой навоз.
Наконец, в сектор «прочее» входит потребление энергии в сельском хозяйстве и подобных ему отраслях (рыболовство, лесное хозяйство). В этом же секторе учитывается использование ископаемого топлива не для получения энергии, а в качестве сырья для производства смазочных материалов, асфальта, растворителей, продуктов химической и нефтехимической промышленности и т. д. В этом секторе расходуется в основном нефть, причём сюда приходится довольно значительная часть её общего потребления — около 16%.
Использование тепло- и электроэнергии во всех секторах достаточно прозрачно. Отметим лишь, что около 16% произведённой электроэнергии (331 млн тнэ) тратится в энергетическом секторе на добычу и переработку ископаемого и ядерного топлива, а также теряется при передаче по электрическим сетям. Аналогичные потери происходят и при передаче тепловой энергии по теплосетям. Данный расход энергии включён на схеме в так называемый «энергетический сектор».
В этом же «энергетическом секторе» учитываются затраты энергии на добычу и переработку ископаемого топлива, производство биотоплива, преобразование топлива из одной формы в другую (сжижение газа и угля, преобразование газа в жидкость, газификация угля и нефти), коксование угля, а также потери при транспортировке и хранении газа, нефти, угля и биотоплива.
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.
