Проблемы и перспективы развития современной энергетики в России и мире

Мировая энергетика и энергетические революции

Энергетика, как и другие секторы экономики, развивается на основе циклических закономерностей и ее динамика отражает все фазы длинных и сверхдолгосрочных циклов (зарождение, развитие, расцвет, стагнацию, кризис), структурные технологические изменения (примерно один раз) каждые полвека) и технологических методов производства (каждые несколько столетий).

Энергетические революции происходят регулярно. Таким образом, в восемнадцатом веке произошел переход от использования ручного труда, от производства энергии домашними животными и дровами к углю и паровым машинам, что сопровождало начало и расцвет промышленной революции в Европе и переход от феодализма к капитализму. Динамика мировой системы в 1870-1970 гг. Определялась следующей фазой долгосрочного роста — индустриальной. В рамках индустриальной фазы наблюдалось несколько волн роста, разделенных острыми кризисами, которые сопровождались сменой парадигмы развития. Одновременно шли процессы последовательного развития использования нефти в качестве моторного топлива, развития электроэнергетических систем и развития атомной энергетики. Сегодня во всем мире продолжает расти использование топливного газа (рис. 1).

В настоящее время доля нефти в мировом потреблении первичных энергоресурсов (ПЭР) составляет 34%, угля — 30%, газа — 24%, гидроэлектроэнергии — 6%, атомной энергии — 5%, возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — 1. % (рис. 2). Как видите, ископаемое топливо, нефть, уголь и газ по-прежнему являются основой мировой энергетики.

Структура энергопотребления в мире в ХХ веке

Рисунок 1. Динамика структуры потребления энергии в мире в ХХ веке, млн.т.

Структура потребления ПЭР в мире в 2011 году

Рисунок 2. Структура потребления ПЭВ в мире, 2011 г

По мнению большинства экспертов, в начале 21 века началась постепенная, глубокая трансформация мировой энергетики, были заложены основы постиндустриально-ноосферной энергетической революции. Необходимость изменений в энергетическом секторе объясняется тем, что сегодня лучшие месторождения ископаемого топлива — фундамент современной энергетики — уже истощены или сильно истощены. В результате стоимость ископаемого топлива значительно выросла.

Глобальный энергетический кризис будет нарастать и углубляться, а цены на ископаемое топливо будут постоянно расти, что расширит экономические возможности использования альтернативных и возобновляемых источников энергии и увеличит их долю в структуре энергопотребления. На рисунке 3 показан прогноз структуры потребления ПЭВ в мире, разработанный Exxon Mobil Corporation в 2008 году. Как видно из рисунка, к 2050 году использование нефти упадет до 20% от общего потребления ПЭВ в мире. Мир. Также снизится потребление угля и газа. Возобновляемые источники энергии, такие как энергия солнца, ветра и биомассы, будут развиваться более динамично.

Структура потребления ПЭР в мире к 2050 году

Рисунок 3. Структура потребления ПЭВ в мире, 2050 г

Настоящая энергетическая революция произойдет в середине 21 века. На рисунке 4 представлены результаты прогноза Межгосударственной группы экспертов ООН по изменению климата. В этом сценарии развития мировой энергетики предполагается, что структура первичных источников энергии радикально изменится: за счет ядерной энергии и возобновляемых источников энергии доля нефти и других ископаемых видов топлива будет еще больше уменьшаться. Кроме того, к концу 21 века они смогут обеспечивать более половины мирового потребления PER.

Переворот затронет и энергетический сектор, следовательно, темпы его роста продолжат снижаться, и к концу века абсолютные объемы мирового потребления энергии начнут снижаться. Можно обсудить с авторами этого прогноза периоды пика и скорость снижения использования нефти, газа и угля, но это не может изменить основной вывод о переходе к принципиально новой структуре энергетики — мировой энергетике.

Благодаря этим изменениям станет возможным преодолеть нарастающий глобальный экологический кризис, вызванный загрязнением воздуха стационарными (коммерческими) и индивидуальными (транспортными) электростанциями.

Только значительное сокращение использования ископаемого топлива постепенно снизит загрязнение воздуха с 2040 по 2050 год.

Прогноз структуры энергопотребления в мире

Рисунок 4. Прогноз структуры энергопотребления в мире.

Начало конца

Глобализация энергетической проблемы человечества началась в 1970-х годах, когда закончилась эпоха дешевой нефти. Дефицит и резкий рост цен на этот вид топлива вызвали серьезный кризис в мировой экономике. И хотя его стоимость со временем снизилась, объемы постоянно уменьшаются, поэтому проблема энергии и сырья человечества становится все более острой.

Например, только в период с 60-х по 80-е годы ХХ века мировой объем добычи угля составлял 40%, нефти — 75%, природного газа — 80% от общего объема этих ресурсов, использованных к началу XX века век

Хотя дефицит топлива начался в 1970-х годах и было обнаружено, что энергетическая проблема является глобальной проблемой для человечества, прогнозы не предсказывали увеличения его потребления. Планируется, что к 2000 году объем добычи увеличится в 3 раза. Впоследствии, конечно, эти планы были сокращены, но из-за крайне расточительной эксплуатации ресурсов, которая длилась десятилетия, сегодня их практически не осталось.

Основные географические аспекты энергетической проблемы человечества

Одна из причин растущего дефицита топлива — более сложные условия его производства и, как следствие, удорожание этого процесса. Если несколько десятилетий назад природные ресурсы лежали на поверхности, то сегодня необходимо постоянно увеличивать глубину шахт, газовых и нефтяных скважин. Особенно заметно ухудшились минерально-геологические условия из-за наличия энергоресурсов в старопромышленных регионах Северной Америки, Западной Европы, России и Украины.

Принимая во внимание географические аспекты энергетических и сырьевых проблем человечества, необходимо сказать, что их решение заключается в расширении границ ресурсов. Необходимо развивать новые районы с более легкими горно-геологическими условиями. Таким образом можно снизить затраты на добычу топлива. Следует иметь в виду, что общая капиталоемкость производства электроэнергии на новых территориях, как правило, намного выше.

Экономические и геополитические аспекты энергетической и сырьевой проблем человечества

Истощение природных запасов топлива привело к возникновению ожесточенной конкурентной борьбы в экономической, политической и геополитической сферах. Топливные транснациональные корпорации занимаются разделом топливно-энергетических ресурсов и перераспределением сфер влияния в этом секторе, что связано с постоянными колебаниями цен на мировом рынке газа, угля и нефти. Нестабильность ситуации серьезно обостряет энергетическую проблему человечества.

Глобальная энергетическая безопасность

Эта концепция вошла в обиход в начале 21 века. Принципы стратегии такой безопасности предусматривают надежное, долгосрочное и экологически безопасное энергоснабжение, цены на которое будут оправданы и приемлемы как для стран-экспортеров, так и для стран-импортеров.

Реализация этой стратегии возможна только в том случае, если будут устранены причины энергетической проблемы человечества и приняты практические меры по дальнейшему снабжению мировой экономики как традиционными видами топлива, так и энергией из альтернативных источников. Кроме того, особое внимание следует уделить развитию альтернативных источников энергии.

Политика энергосбережения

Во времена дешевого топлива во многих странах мира сформировалась ресурсоемкая экономика. Во-первых, это явление наблюдается в государствах, богатых полезными ископаемыми. Список возглавили Советский Союз, США, Канада, Китай и Австралия. При этом в СССР объем расхода условного топлива был в несколько раз выше, чем в Америке.

Такое положение дел потребовало срочного внедрения политики энергосбережения в коммунальных услугах, промышленности, транспорте и других секторах экономики. С учетом всех аспектов энергетических и сырьевых проблем человечества начали разрабатываться и внедряться технологии, направленные на снижение удельной энергоемкости ВВП этих стран, перестраивалась вся экономическая структура мировой экономики.

Успехи и неудачи

Наиболее заметных успехов в области энергосбережения добились экономически развитые страны Запада. За первые 15 лет им удалось снизить энергоемкость своего ВВП на 1/3, что привело к сокращению их доли в мировом потреблении энергии с 60 до 48 процентов. Сегодня эта тенденция сохраняется, и рост ВВП на Западе опережает растущие объемы потребления топлива.

Намного хуже ситуация в Центральной и Восточной Европе, Китае и странах СНГ. Энергоемкость их экономики снижается очень медленно. Но в лидерах экономического антирейтинга — развивающиеся страны. Например, в большинстве стран Африки и Азии сопутствующие потери топлива (природного газа и нефти) составляют от 80 до 100.

Реалии и перспективы

Энергетическая проблема человечества и способы ее решения сегодня затрагивают весь мир. Для улучшения существующей ситуации внедряются различные технические и технологические новшества. В целях экономии энергии совершенствуется промышленное и коммунальное оборудование, производятся более дешевые автомобили и т.д.

Среди основных макроэкономических мер — постепенное изменение самой структуры потребления газа, угля и нефти с перспективой увеличения доли нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.

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

ВР подсчитывает, когда наступит жизнь без нефти

Обзор развития мировой энергетики до 2050 года, опубликованный на этой неделе британским нефтяным гигантом BP, предполагает, что пик мирового спроса на нефть, вероятно, уже позади. Аналитики считают, что объемы его потребления, скорее всего, никогда не вернутся к уровню 2019 года.

В обзоре представлены три основных сценария трансформации глобальной энергетической системы. Эксперты исходят из понимания неизбежности «коренной перестройки» мировой экономики с переходом на низкоуглеродные технологии (декарбонизация). Это, как ожидается, обернется серьезными проблемами для нефтяной отрасли.

Какой путь пойдет отрасль, во многом будет зависеть от того, каким будет налог на выбросы углерода.

«Как Rapid, так и Net Zero предсказывают значительное повышение цены на углерод (углеродный налог), которая к 2050 году достигнет 250 долларов за тонну CO2 (в соответствии с ценами 2018 года) в развитых странах и 175 долларов в странах с развивающейся экономикой», — эксперты BP в их обзоре.

Но если будет реализован третий сценарий (BAU, или «Бизнес как обычно»), то налог на тонну выбросов СО2 к 2050 году составит 65 и 35 долларов соответственно. Однако все три сценария приводят к снижению доли углеводородов (угля, нефти и природного газа) в мировой энергетической системе. Правда, в зависимости от сценария его масштаб существенно разнится.

важно понимать, что аналитики делают важное предостережение о том, что «сценарии — это не предсказания того, что может случиться или того, что BP хотела бы, чтобы это произошло». Скорее, варианты, описанные для нефтяной отрасли, помогают показать диапазон возможностей тех событий, которые развернутся в течение следующих 30 лет.

Три сценария

Быстрый сценарий предполагает принятие ряда политических мер, которые приведут к значительному увеличению налога на выбросы углерода. Эти меры будут подкреплены целевыми отраслевыми нормативными актами, которые к 2050 году сократят выбросы энергетического углерода примерно на 70%. Доля нефти в мировом энергетическом балансе будет снижена с 30 до 14% — в результате объем ежедневной добычи увеличится сократится вдвое и составит 55 млн баррелей. При этом доля возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе увеличится с 5% в 2018 году до 45% к 2050 году.

Сценарий Net Zero предполагает, что те же политические действия, которые будут воплощены в Rapid, также будут поддерживаться значительными изменениями в поведении и предпочтениях общества, и это еще больше уменьшит углеродный след человечества. Таким образом, к 2050 году глобальные выбросы углерода от потребления энергии сократятся более чем на 95%. Этот непростой вариант предполагает практически полный отказ от нефти, в результате чего потребление «черного золота» упадет на 80-85%.

Наконец, сценарий «Бизнес как обычно» предполагает, что государственная политика, технологии и социальные предпочтения будут продолжать развиваться так же, как и в недавнем прошлом. Спрос на нефть останется на относительно стабильном уровне и будет снижаться очень медленно, всего на 10% за 30 лет.

Аналитики BP прогнозируют, что спрос на нефть сократится вдвое более чем на 55% и, если как можно больше стран соблюдают Парижское соглашение по климату, к 2050 году он сократится на 80.

Отчасти начинают сбываться негативные прогнозы. На этой неделе министр финансов России Антон Силуанов заявил, что мировой спрос на нефть медленно восстанавливается, а это означает, что трехлетний бюджет (2021–2023 годы) будет включать цену на нефть не более 43–44 долларов за баррель.

«Наш прогнозируемый уровень цен будет соответствовать нашим оценкам цен на базовые масла. Это много или мало? Цена на базовую нефть: примерно соответствует текущим экспертным оценкам прогнозов на будущее. Мы не видим причин для более высоких прогнозов цен на нефть, поскольку мы видим, что мировой спрос на нефть растет, но не так быстро, как мог бы. Таким образом, мы установили, я бы сказал, умеренно консервативный уровень цен на нефть в прогнозе: это около 43-44 долларов за баррель », — сказал министр финансов РФ.

Что будет с Россией

«Реальное время» побеседовало с экспертами нефтяного рынка о том, как российский энергетический сектор и экономика могут отреагировать на реализацию сценария, предложенного экспертами BP. Василий Танурков, директор группы корпоративных рейтингов АКРА, предостерегает от рассмотрения этих сценариев в контексте отдельной страны:

— Вряд ли можно говорить о сценарии для отдельной страны — речь идет о глобальных сценариях, которые повлияют на рынок нефти в глобальном масштабе. На уровне отдельных стран можно рассматривать только темпы внедрения определенных технологий (в первую очередь, транспорта электроэнергии). В то же время очевидно, что в большинстве нефтедобывающих стран (кроме, пожалуй, Норвегии) ​​эти ставки в обозримом будущем не будут высокими. В целом, «быстрый» и тем более «нулевой» сценарии кажутся маловероятными и конъюнктурными.

Танурков считает, что на нашу экономику повлияет не углеродный след, а европейское регулирование в этом секторе, которое может привести к снижению рентабельности поставок на европейский рынок. Но следует учитывать, что Европа ни в коем случае не будет основным драйвером потребления нефти.

Для всех нефтедобывающих стран, по мнению эксперта, сценарий будет единым, а динамика добычи нефти в странах будет зависеть от уровня цен на нефть и себестоимости добычи. Очевидно, что при долгосрочном поддержании низких цен на нефть (40 долларов и менее) произойдет долгосрочное сокращение добычи в ряде стран с высокими издержками, в то время как страны с низкими издержками (в основном на Ближнем Востоке) и Россия) увеличит свою долю рынка.

Лучший выход – отказ от угля

Директор Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского федерального университета профессор Данис Нургалиев считает, что опасаться глобального коллапса нефтяной отрасли преждевременно:

— Я согласен с тем, что мир не вернется к прежнему уровню потребления нефти, но в ближайшие годы спрос все равно восстановится на 90-95%. Сегодня альтернативы нефти нет на горизонте до 2050–2060 годов. Существующие возобновляемые источники энергии не могут так быстро удовлетворить огромный спрос на энергию. Снижение спроса на мировом рынке на 5% — это уже довольно большая потеря.

Нургалиев видит проблему в другом: добыча нефти в России должна быть конкурентоспособной на мировом рынке, но здесь мы немного отстаем. «На мой взгляд, сегодня необходимо усилить внимание в этом направлении. В России много нефти. Есть много недорогого масла, которое легко добывается. Открытые запасы готовятся на десятилетия вперед. Но нужно не только тупо развивать производство, но и делать его экономичным и экологически чистым. У России огромные запасы, которые будут продаваться и добываться при любых условиях сценария. До 2050-2060 годов энергетику, кроме нефти, наполнять нечем », — говорит профессор.

— Думаю, было бы лучше, если бы мир перестал сжигать уголь. Китай получает 60% необходимой энергии от сжигания угля, а в США — 20-25%. Эпоха черного угля закончилась 100 лет назад, но по-прежнему используется самое грязное топливо в мире. Было бы лучше, если бы мировые державы перешли на газ. Тогда планета станет зеленой!

Что касается налога на выбросы углерода, Нургалиев считает, что это прихоть тех стран, которые не обладают большими запасами нефти:

— Он еще не принят, но ведутся споры о том, как нефтедобывающим компаниям придется его платить. Если налог на выбросы углерода работает, цена на нефть также будет работать. Это приведет к тому, что энергия на основе возобновляемых источников получит прекрасные условия для бурного развития. Действительно, с введением налога на выбросы углерода цена на нефть автоматически вырастет для всех нефтедобывающих стран, и у зеленых технологий появится возможность для роста. Так мир движется в сторону зеленой энергетики, что явно невыгодно для России. Вам просто нужно внедрить более эффективные технологии добычи полезных ископаемых, чтобы сделать ее прибыльной и экологически чистой. Сланцевый газ — сырье колоссально неэффективное, но его добывают. А наша нефть экологичнее и дешевле.

Добыча нефти в Арктике

Михаил Крутихин, партнер консалтингового агентства RusEnergy, нефтегазовый аналитик, критически оценивает перспективы российской нефти, поскольку качество нашей нефти сейчас оставляет желать лучшего:

— На мой взгляд, в России главное — смотреть на самый пессимистичный вариант. По его словам, спрос на нефть и ее добычу к 2050 году снизится на 80-85% по сравнению с текущими уровнями. Но задолго до этой даты Россия потеряет экспортные возможности и превратится в страну, которая не будет рассматриваться на мировом рынке нефти. Причина этого — ухудшение качества остаточных запасов нефти. Сейчас интенсивно идет истощение запасов дешевой нефти, и оставшаяся труднодоступная нефть не сможет конкурировать с нефтью других стран.

Крутихин утверждает, что лучшие перспективы на нефтяном рынке остаются у Саудовской Аравии и ее партнеров в Персидском заливе, потому что в их распоряжении большие и дешевые запасы нефти. Но они здесь не одни: например, глубоководные проекты на бразильском шельфе имеют интересную коммерческую привлекательность по сравнению с трудноизвлекаемыми запасами в России.

— Добыча на арктическом шельфе ситуацию не спасет, — предупреждает эксперт. — Это около 3% оставшихся запасов нефти. Но здесь в основном сосредоточены запасы природного газа, а добывать нефть дорого. Бурение скважины в Карском море обошлось «Роснефти» и ExxonMobil в $ 650 млн. Добыча нефти в Арктике — коммерческое безумие. Я категорически не согласен с тем, что представляет собой президент Союза нефтегазопромышленников Геннадий Шмаль. Его выступления на форуме нефтегазохимии Татарстана сводились к одному: дайте нам денег, и мы обнаружим, что добывать нефть еще сложнее. Если отбросить все «арки», то они просят денег на открытие новых резервов, которые не будут разрабатываться. Это не выгодно. Это никому не нужно. Отчет Счетной палаты показал, что госкомиссия закладывает в бюджет такие резервы, которые вообще невозможно заложить.

Но вспомните Михаила Крутихина: в России много запасов газа с низкими затратами на добычу, много месторождений открыто и подготовлено к разработке. Их еще больше, которые могут быть реализованы в ближайшем будущем. Как экспортер газа Россия еще долго сохранит лидирующие позиции на мировом рынке, считает эксперт, так как без российского газа Европе не обойтись. Кстати, этого мнения придерживаются аналитики BP. По их мнению, пик спроса на газ приходится на середину 1930-х годов.

Новые энергетические технологии

Чтобы обеспечить описанные выше изменения в структуре мировых источников энергии, необходим переход к новым энергетическим технологиям.

Специалисты определяют два «закона успеха» энергетических технологий:

1. Стадия разработки
   Эта фаза длится 30 лет, в течение которых требуется тысячекратный рост, чтобы достичь 1-2% от общего мирового потребления первичной энергии, начиная с пилотного масштаба (постоянные темпы роста 26% в год);
2. Стадия разработки
   После первого этапа технологии внедряются более последовательно, определяя свою последнюю нишу в энергетической структуре.

В следующей таблице представлены основные направления развития энергетических технологий, наиболее актуальные к середине 21 века.

Моторизация	Энергоэффективные автомобили. Новые материалы (композиты) Гибриды, электромобили Транспорт водородных топливных элементов Газ на транспорте, GTL Биотопливо второго и третьего поколения
Электрификация	Распределенная газовая генерация (микро ТЭЦ) Атомные электростанции (4-е поколение, малые модели АЭС) Ветроэлектростанции (масштабные и более дешевые) Угольные заводы со сверхкритическими параметрами пара Электростанции комбинированного цикла с газификацией угля и биомассы Преобразователи солнечной энергии в электричество Концентраторы солнечной энергии Улавливание и хранение CO2 на тепловых электростанциях Децентрализация поколения Умные сети Сверхпроводимость Системы хранения электроэнергии
Индустриализация	Улавливание и хранение CO2. Производство водорода, синтетического топлива
Урбанизация	ActiveHouse и PassiveHouse, ресурсоэффективные города Тепловые насосы Солнечное отопление
Добыча ископаемого топлива	Нетрадиционные технологии добычи нефти и газа Технологии глубоководной добычи Снижение стоимости технологий транспортировки газа

Основные направления энергетических технологий

Во второй половине XXI века, наряду с вышеупомянутыми технологиями, которые должны играть доминирующую роль в мировой энергетике, потребуются новые «инновационные» технологии, которые в настоящее время являются предметом обсуждения только в научных кругах.

Первая в Австралии солнечная тепловая установка White Cliffs

В начале 2010-х наметился десяток перспективных подходов к развитию принципиально новой энергетики. В некоторых областях исследований уже получены практически значимые результаты, в других исследования ведутся на уровне лабораторных или полупромышленных моделей.

Водород привлекает широкое внимание как одно из перспективных направлений развития мировой энергетики. Использование водорода как средства хранения, транспортировки и потребления энергии лежит в основе водородной энергетики. Развитие этого сектора дает возможность использовать водород в производстве и для нужд транспортной инфраструктуры.

Также следует упомянуть управляемый термоядерный синтез (CTF). Процесс синтеза основан на слиянии легких атомных ядер, которое происходит с выделением энергии при высоких температурах в контролируемых и контролируемых условиях. Ожидаемое экономичное использование термоядерных реакторов для производства электроэнергии будет поддерживаться неограниченными поставками общедоступного топлива (водорода). Его легко получить из морской воды. Отсутствие продуктов сгорания и невозможность неконтролируемой реакции термоядерного синтеза — другие положительные стороны CCF.

Проект «безопасной» АЭС четвертого поколения

Развитие энергетических технологий во второй половине нынешнего века также можно связать с дальнейшим освоением космоса. В этот период при определенных условиях могут быть реализованы многочисленные проекты по созданию космических энергетических систем, использующих солнечную энергию и передающих ее на Землю с помощью микроволн или микроволнового излучения. Предполагается, что основу этой системы составят спутники на геостационарной орбите на солнечной энергии мощностью около 5 ГВт и лунная энергетическая система мощностью 20 000 ГВт. Другой масштабный проект — это добыча гелия-3 на Луне, его транспортировка на Землю и использование в термоядерных реакторах. Из всех, казалось бы, фантастических энергетических проектов, связанных с космосом, следует помнить об инициативе руководства российской космической компании «Энергия». В 2006-2007 годах он активно продвигал идею создания лунной станции и начала работ по добыче гелия-3 уже в 2015-2020 годах. Проект не получил поддержки из-за отсутствия технологий использования гелия-3 в малых ядерных реакторах.

Есть и другие разработки в области перспективных источников энергии. Например, экспертная группа IGSO считает перспективным следующий набор энергетических технологий:

• системы жидкостного отопления — вихревые теплогенераторы (есть и другие названия этих систем);
• холодный ядерный синтез»;
• магнитомеханический усилитель мощности;
• индукционные нагреватели;
• двигатели без выброса массы;
• герметичные замкнутые контуры;
• энергетические установки на основе динамической сверхпроводимости;
• атмосферная энергетика.

Атомная энергетика

Атомная энергетика — одна из самых перспективных отраслей энергоснабжения. В некоторых развитых странах уже введены в строй ядерные реакторы нового поколения. Сегодня ядерщики снова активно обсуждают тему реакторов, работающих на быстрых нейронах, которые, как когда-то предполагалось, станут новой и гораздо более эффективной волной ядерной энергии. Однако их разработка была остановлена, но теперь эта проблема снова стала актуальной.

Использование МГД-генераторов

Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую без паровых котлов и турбин позволяет реализовать магнитогидродинамические генераторы. Развитие этого перспективного направления началось в начале 70-х годов прошлого века. В 1971 году в Москве был запущен первый опытный промышленный двигатель МГД мощностью 25 000 кВт.

Основными преимуществами магнитогидродинамических генераторов являются:

• высокая эффективность;
• экологичность (отсутствие вредных выбросов в атмосферу);
• мгновенный старт.

Криогенный турбогенератор

Принцип работы криогенного генератора заключается в том, что ротор охлаждается жидким гелием, благодаря чему достигается эффект сверхпроводимости. К неоспоримым достоинствам этого агрегата можно отнести высокий КПД, малый вес и габариты.

Опытный образец криогенного турбогенератора был создан в советское время, аналогичные разработки сейчас ведутся в Японии, США и других развитых странах.

Водород

Очень перспективно использование водорода в качестве топлива. По мнению многих экспертов, эта технология поможет решить важнейшие глобальные проблемы человечества: проблему энергии и сырья. Во-первых, водородное топливо станет альтернативой природным энергоресурсам в машиностроении. Первый водородный автомобиль был создан японской компанией Mazda в начале 90-х годов, и для него был разработан новый двигатель. Эксперимент оказался достаточно успешным, что подтверждает перспективность этого направления.

Электрохимические генераторы

Это топливные элементы, которые тоже работают на водороде. Топливо пропускается через полимерные мембраны со специальным веществом — катализатором. В результате химической реакции с кислородом сам водород превращается в воду, выделяя при сгорании химическую энергию, которая преобразуется в электрическую энергию.

Двигатели на топливных элементах характеризуются максимальной эффективностью (более 70%), вдвое большей, чем у обычных электростанций. К тому же они просты в использовании, бесшумны в эксплуатации и нетребовательны к ремонту.

До недавнего времени топливные элементы имели узкую область применения, например, в космических исследованиях. Но сейчас работы по внедрению электрохимических генераторов активно ведутся в большинстве экономически развитых стран, первой из которых является Япония. Общая мощность этих агрегатов в мире измеряется миллионами кВт. Например, в Нью-Йорке и Токио уже работают электростанции на таких элементах, и немецкий автопроизводитель Daimler-Benz первым создал рабочий прототип автомобиля с двигателем, работающим по этому принципу.

Управляемый термоядерный синтез

Уже несколько десятилетий ведутся исследования в области термоядерной энергетики. Атомная энергия основана на реакции ядерного деления, а термоядерная энергия основана на обратном процессе: ядра изотопов водорода (дейтерия, трития) сливаются. В процессе ядерного сжигания 1 кг дейтерия количество выделяемой энергии в 10 миллионов раз больше, чем получаемой из угля. Результат действительно впечатляющий! Поэтому термоядерная энергетика считается одним из наиболее перспективных направлений решения проблем глобального энергодефицита.

Проблемы энергетического комплекса России

Пожалуй, одной из важнейших проблем энергетического комплекса можно считать высокую стоимость энергии, что в свою очередь приводит к удорожанию производства. Несмотря на то, что в последние годы произошли активные разработки, которые могут позволить использовать альтернативные источники энергии, ни один из них в настоящее время не может полностью удалить углеводороды с мировой энергетической арены. Альтернативные технологии — это дополнение к традиционным источникам, но они не заменяют их, по крайней мере, сейчас.

В условиях России проблема усугубляется ухудшающимся состоянием энергетического комплекса. Энергокомплексы находятся не в лучшем состоянии, многие электростанции физически разрушены. Следовательно, стоимость электроэнергии не снижается, а постоянно увеличивается.

Мировое энергетическое сообщество долгое время делает ставку на атом, но это направление развития тоже можно назвать тупиком. В европейских странах наблюдается тенденция к отказу от атомных электростанций. Несогласованность энергии атома подчеркивается еще и тем, что за многие десятилетия развития он не смог вытеснить углеводороды.

Цены и тарифы в российской электроэнергетике

Что касается цен и тарифов в электроэнергетике, Минэкономразвития РФ считает, что повышение регулируемых тарифов сетевых организаций для потребителей, за исключением населения, в среднем по стране на прогнозный период до 2024 г будет быть в пределах 3,0%. Степень индексации тарифов на передачу электроэнергии населению сохранится на уровне 5,0% для снижения перекрестного субсидирования в электросети в целом. Регулируемые тарифы на электроэнергию для населения будут расти такими же темпами.

Что касается нерегулируемых цен на электроэнергию на розничном рынке для конечных потребителей (без учета населения) в 2021 году рост составит около 5,6%, а в период 2022-2023 годов ожидается в диапазоне 2,9% -3,5%.

Перейдем к рассмотрению объемов и темпов производства электроэнергии, которые представлены на графике:

Производство электроэнергии, млрд кВтч и динамика производства электроэнергии, %

Источник: Схема и программа развития Единой энергетической системы России на 2020-2026 годы; Информационные обзоры системного оператора ЕЭС России

Снижение производства электроэнергии в 2020 году связано с более высокими зимними температурами в начале года и снижением спроса на электроэнергию из-за коронавируса. С 2021 года ожидается рост производства электроэнергии за счет увеличения спроса. Увеличение темпов роста спроса на электроэнергию в 2021 году обусловлено планом восстановления национальной экономики. Увеличению спроса также будет способствовать рост спроса на электроэнергию со стороны промышленных компаний, увеличение объемов железнодорожных перевозок, восстановление в сфере услуг и рост использования бытовой техники населением. Если темпы роста могут достичь 3% в 2021 году, к 2026 году рост замедлится до 1%.

В целом, согласно программе развития ЕЭС России, к 2026 году ожидается увеличение производства электроэнергии на 10%. Но следует учитывать, что на динамику производства и потребления электроэнергии большое влияние оказывает температура воздуха зимой и на гидроэлектростанциях — от весеннего снега и летнего дождя, поэтому возможны колебания темпов роста из-за отклонений температуры от среднегодовых значений.

По прогнозам Минэкономразвития и Минэнерго ожидается снижение экспорта электроэнергии из-за роста цен на электроэнергию на внутреннем рынке в связи с ростом цен в странах-импортерах. Так, согласно прогнозам экспорта электроэнергии через ЕЭС России, в 2026 году по сравнению с 2020 годом снижение составит около 28%, с 16 млрд кВтч до 11,5 млрд кВтч. Падение экспорта негативно скажется на главном экспортере электроэнергии — Интер РАО».

На динамику производства электроэнергии влияют ввод и модернизация генерирующих мощностей. Объем и структура ввода генерирующих мощностей отображена на графике:

Перспективы развития энергетики в России

Как уже отмечалось, перспективы развития энергетики в основном связаны с развитием эффективных альтернативных источников. Наиболее изученными направлениями в этой области являются:

• биотопливо;
• энергия ветра;
• геотермальная энергия;
• солнечная энергия;
• термоядерная техника (ОТС);
• водородная энергия;
• энергия приливов.

Ни одно из этих направлений не способно решить проблему энергетического кризиса, когда уже недостаточно интегрировать старые источники энергии с другими альтернативами. Разработки идут в разных направлениях и находятся на разных стадиях своего развития. Однако уже можно очертить круг технологий, которые могут заложить основы инновационной энергетики:

• Вихревые теплогенераторы. Такие системы используются давно, найдя свое применение в теплоснабжении домов. Перекачиваемая по трубопроводной системе рабочая жидкость нагревается до 90 градусов. Несмотря на все преимущества технологии, до окончательного завершения разработки еще далеко. Например, в последнее время активно изучается возможность использования в качестве рабочего тела не жидкости, а воздуха.
• Холодный ядерный синтез. Еще одна технология, разработанная с конца 80-х годов прошлого века. В его основе лежит идея получения ядерной энергии без сверхвысоких температур. Пока руководство находится в фазе лабораторных и практических исследований.
• На этапе промышленного проектирования они представляют собой магнитомеханические усилители мощности, которые в своей работе используют магнитное поле Земли. Под его воздействием мощность генератора увеличивается, а количество получаемой электроэнергии увеличивается.
• Очень перспективными представляются электростанции, основанные на идее динамической сверхпроводимости. Суть идеи проста: при определенной скорости возникает динамическая сверхпроводимость, позволяющая генерировать мощное магнитное поле. Исследования в этой области ведутся давно, накоплен значительный теоретический и практический материал.

Это лишь небольшой перечень инновационных технологий, каждая из которых имеет достаточный потенциал развития. В целом мировое научное сообщество способно разрабатывать не только альтернативные источники энергии, которые уже можно определить как старые, но и действительно инновационные технологии.

Следует отметить, что в последнее время все чаще появляются технологии, которые до недавнего времени выглядели великолепно. Разработка таких источников энергии способна полностью изменить привычный мир. Упомянем только самые известные из них:

• аккумуляторы на основе нанопроволоки;
• технологии беспроводной передачи энергии;
• атмосферное электричество и т д

ожидается, что в ближайшие годы появятся и другие технологии, развитие которых позволит отказаться от использования углеводородов и, что немаловажно, снизить стоимость энергии.

Водород как драйвер роста

В будущем водород может стать ценным инструментом развития энергетики и прочной основой для формирования новой водородной экономики в России. Так эксперты прокомментировали принятие плана мероприятий («дорожной карты») по развитию водородной энергетики в РФ до 2024 года, утвержденного распоряжением Правительства РФ от 12 октября 2020 г. 2634-р.

Ожидается, что в результате реализации плановых мероприятий в Российской Федерации будет создана принципиально новая отрасль низкоуглеродного производства, хранения и транспортировки водорода, использование этого вещества для нужд энергетических компаний, промышленности транспортная отрасль, а также возможность выйти на мировой рынок с новыми навыками.

Однако переход к инновационным технологиям и развитие национальной электроэнергетики должны быть сбалансированы. Энергокомпании должны, с одной стороны, ощутить поддержку государства в приобретении опыта в новой сфере деятельности, а с другой — обеспечить сохранение позиций России на традиционных энергетических рынках.

По мнению аналитиков, в ближайшие 30 лет доля водородной энергетики в мировом энергетическом балансе может увеличиться в несколько раз. Быстрое развитие новых технологий связано с развивающейся тенденцией к декарбонизации экономики и снижению негативного воздействия на экосистему.

Вскоре водородная энергия может стать одним из основных способов достижения углеродной нейтральности. Причин несколько. Во-первых, водород можно получить из источников с низким содержанием углерода. Во-вторых, использование этого вещества в качестве энергоносителя не сопровождается выбросами техногенных газов.

В 2021 году будет разработана концепция развития водородной энергетики в России. В документе будут изложены результаты оценки текущего состояния производства и потребления водорода, описаны ресурсы и технологический потенциал Российской Федерации на рынке водородных энергоносителей. Кроме того, будут сформулированы приоритеты развития новой отрасли с определением краткосрочных, среднесрочных и долгосрочных целей.

Дорожная карта развития водородной энергетики в России предусматривает реализацию к 2024 году ряда пилотных проектов. В частности:

• разработка, производство и использование первых установок по производству водорода без выбросов CO2;
• конструирование, изготовление и испытания газовых турбин, работающих на метано-водородном топливе;
• реализация опытного образца железнодорожного транспорта на водороде и опытных площадок экологически чистого производства водорода на заводах по переработке углеводородного сырья или на заводах по производству природного газа;
• производство водорода на базе атомных электростанций и использование возобновляемых источников энергии.

На повестке дня климатические решения

Социально-экономический кризис, вызванный пандемией COVID-19, привел к активизации климатических решений. Процессы, которые, по прогнозам аналитиков, должны были начаться к концу десятилетия, уже начались сегодня.

Вопросы климата становятся все более актуальными для национальных энергетических компаний. Уже в среднесрочной перспективе они могут столкнуться с серьезными ограничениями на внешних рынках.

В качестве одной из мер по борьбе с изменением климата ЕС планирует ввести налог на выбросы углерода на импорт. Это напрямую коснется не только крупных производителей, поставляющих свою продукцию на рынки ЕС, но и всей цепочки их поставщиков. Это потребует всестороннего пересмотра как внешней, так и внутренней экономической стратегии России.

В Еврокомиссии принятие соответствующего законодательства намечено на второй квартал 2021 года. Поэтому у российских производственных компаний очень мало времени для адаптации к новым условиям. Об этом уже сегодня думают и госструктуры, и бизнес.

Однако действия необходимы не только из-за рисков, связанных с введением трансграничного налога. В сентябре 2019 года Россия ратифицировала Парижское соглашение по климату и поэтому взяла на себя обязательство сократить выбросы парниковых газов и перестроить производственные мощности, чтобы их продукция стала менее вредной для окружающей среды.

Если говорить об энергетике, мы должны по возможности сокращать долю энергии из углеводородов, увеличивая при этом производство гидроэлектростанций и «зеленых» станций. В случаях, когда это нецелесообразно, необходимо модернизировать оборудование ТЭС, что сделает эти энергосистемы экологически чистыми.

Конкурсный отбор проектов возобновляемой энергетики на 2021-2024 годы прошел в ноябре 2020 года. Допущенные к участию в тендере операторы оптового рынка, соответствующие требованиям Соглашения о присоединении к торговой системе оптового рынка, получили заявки на 26 заводов. 20 заявок относятся к ветроэнергетике, 6 — к гидроэнергетике. Суммарная мощность станций составила 775,1 МВт.

Учитывая требования экологически чистой энергетической компании, эксперты призывают не сбрасывать со счетов атомную энергетику. Ведь количество выбросов углекислого газа, связанных с работой АЭС, минимально. Так что в этом плане их можно считать близкими родственниками солнечных, ветряных и энергетических установок на основе возобновляемых источников энергии и активно работать над увеличением доли атомной энергии в энергобалансе страны.

Электросетевое хозяйство: инструменты трансформации

Любой сектор, и комплекс электрической сети не исключение из правил, должен обеспечивать надежную и бесперебойную работу. Это сложная и сложная задача. Его решение состоит из множества инструментов, сочетающих инновации и использование надежных, проверенных временем, экономичных и понятных технологий.

Наиболее востребованными технологическими решениями в 2021 году являются:

Индустрия 4.0, машинное обучение и большие данные. Синергия этих технологий, адаптированных к специфике сетевой инфраструктуры, способна вывести российскую энергетику на качественно новый уровень. Кроме того, внедрение инновационных решений в электросетевом хозяйстве положительно скажется на развитии других секторов экономики. Ведь качественное питание закладывает прочную основу для роста экономических показателей предприятий различных сфер деятельности.
Первые шаги в этом направлении уже сделаны. В последние годы энергетики внедрили автоматизированный учет электроэнергии. Уже сегодня технологии промышленного Интернета вещей позволяют коммунальным предприятиям обеспечивать 100% обзор электросетей и автоматический сбор показаний.
Это стало возможным благодаря использованию ячеистых сетей нового поколения, построенных на основе PLC + RF — мощной и функциональной системы для связи между концентратором данных и измерительным устройством, а также технологии сотовой связи стандарта NB. IoT, предназначен для устройств телеметрии с небольшими объемами обмена данными.

Цифровая трансформация. Повышение надежности — один из ключевых приоритетов в развитии электросетевой инфраструктуры. Действительно, цифровизация — это тот действенный инструмент, который позволит российским сетевым компаниям улучшить качество энергоснабжения.
Кроме того, в условиях кризиса с коронавирусом участники энергетического рынка будут вынуждены урезать бюджеты. Поэтому проекты по внедрению цифровых решений, повышающих операционную эффективность и способствующих сокращению затрат на техническое и сервисное обслуживание, станут особенно актуальными.
Например, Big Data Analytics позволяет анализировать производительность оборудования и выявлять слабые места. Установка датчиков и использование методов прогнозного анализа снизят затраты как минимум на 1-2%, но в сложных экономических условиях даже эта экономия становится значительной.

Создание российской компонентной базы. Столкнувшись с ограничениями по коронавирусу, страны сосредоточили внимание на защите внутреннего рынка и своих производителей. Следовательно, в России будут востребованы «умные» устройства и элементы систем технологического управления, созданные из компонентов отечественного производства, защищенные с точки зрения информационной безопасности.
Это вполне логично. Действительно, на фоне цифровой трансформации энергетики количество интеллектуальных элементов в сетях значительно увеличивается, что увеличивает риск уязвимости энергосистемы в целом, объекты которой связаны с критической информационной инфраструктурой (CII).

Кабельные технологии. В этой области минимизация перегрузок и сокращение количества аварийных остановок за счет постоянного контроля температуры кабельных линий (КЛ) останется актуальным направлением. Контроль температуры осуществляется с помощью оптического волокна, расположенного внутри кабеля. Действует как распределенный оптический датчик и подключается к системам оценки температуры CL.
Технология позволяет решать несколько задач одновременно: отслеживать состояние кабеля в режиме реального времени, оперативно выявлять локальные проблемы и прогнозировать возможные перегрева в случае изменения нагрузки на ЛЭП. По мнению аналитиков, наиболее перспективным является использование кабеля с оптическим модулем и системой контроля температуры в контексте интеллектуальных сетей, обеспечивающих высокоскоростную передачу электроэнергии и данных.

У России огромный потенциал для развития электроэнергетики. Даже небольшое улучшение нормативно-правовой базы может создать стимулы для внедрения многих технологических инноваций. Очевидно, это вопрос времени.

Риски и возможности для России

Чтобы ответить на вызовы будущего и реализовать заложенные в нем возможности, необходимо адаптировать государственную энергетическую политику с акцентом на перспективу создания постиндустриального типа энергетики.

Обсуждаемые выше перспективы развития мирового энергетического сектора создают как значительные риски, так и новые возможности для России.

Энергетическая стратегия России на период до 2030 года предусматривает различные сценарии развития мировой энергетики и возможности адаптации к ним. Однако более отдаленное будущее принципиально предполагает новые вызовы, которые практически не учитываются в современной государственной энергетической политике. Например, это неизбежность изменения климата и необходимость адекватной климатической политики. Россия еще не приняла достаточных мер для перехода на безуглеродную энергию, что делает ее позицию в глобальной системе регулирования климата (система квот на выбросы, санкции за их превышение, сокращение экспорта ископаемого топлива) очень уязвимой., Возможные тарифы и не- тарифные ограничения на поставку углеродоемкой продукции и др.). В России отрасль возобновляемых источников энергии, энергоуслуг и услуг по энергосбережению развивается очень слабо, несмотря на их значительный рыночный потенциал.

Существует чрезвычайно серьезный риск глубокой технологической отсталости. Развитие энергетики в России и государственная политика в этом секторе поддерживаются в духе промышленной энергетики и нацелены на увеличение производства ископаемого топлива и энергетических мощностей. Недостаточное внимание уделяется ключевым направлениям в создании нового типа энергии: «умные сети», энергоменеджмент и системы энергоинформации, энергосбережение и децентрализация энергоснабжения.

Переход мира на неуглеродные источники энергии ставит под сомнение источники доходов бюджетов страны, которые во многом зависят от экспорта углеводородов.

Чтобы ответить на вызовы будущего и реализовать заложенные в нем возможности, необходимо адаптировать государственную энергетическую политику с акцентом на перспективу создания постиндустриального типа энергетики.

Глобальный прогноз

Сегодня существуют разные сценарии дальнейшего развития ситуации в мировой энергетике. По некоторым из них, к 2060 году мировое потребление энергии в нефтяном эквиваленте увеличится до 20 миллиардов тонн. При этом по потреблению развивающиеся страны обгонят развитые.

К середине 21 века ожидается, что объем ископаемых энергоресурсов значительно сократится, но доля возобновляемых источников энергии, особенно ветровой, солнечной, геотермальной и приливной энергии, возрастет.