Энергетика и энергоресурсы: Энергетика и энергоресурсы

Энергетика и энергоресурсы

Прежде
чем мы перейдём к изучению новой темы, давайте вспомним, что такое энергия и
какие основные виды энергии бывают.

Энергия
– это скалярная физическая величина, которая является единой мерой различных
форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из
одних форм в другие.

Существует
много классификаций энергии. Согласно одной из них, энергия бывает:

Энергетическая
отрасль является одной из самых мощных промышленных отраслей. Производство
энергии неразрывно связано с использованием различных природных ресурсов, из
которых основными являются ископаемое топливо, радиоактивные элементы и
потенциальная энергия воды.

Поговорим
о производстве электроэнергии.

Больше
всего электроэнергии производят тепловые электростанции (ТЭС).

Работают
они на ископаемом органическом углероде. На тепловых электростанциях топливо
сжигается в топках паровых котлов, а его химическая энергия превращается в
тепловую энергию пара. В качестве топлива могут использоваться уголь, мазут,
газ, сланцы.

В
паровой турбине энергия пара переходит в механическую, а затем в генераторе
превращается в электрическую.

Тепловой
коэффициент полезного действия обычной ТЭС составляет от 37 % до 39 %. Это
говорит о том, что две трети тепловой энергии в буквальном смысле вылетают в
трубу и при этом наносят непоправимый вред обширному региону.

Несмотря
на такой низкий тепловой коэффициент полезного действия, тепловые
электростанции потребляют огромное количество топлива. Так, государственная
районная электростанция высокой мощности, которая вырабатывает только
электроэнергию мощностью 1 миллион киловатт, каждые сутки сжигает 17 800
тонн угля.

Но
это ещё не всё. Помимо угля такая электростанция сжигает ежесуточно 2500 тонн мазута
и большое количество воды. Весь уголь перемалывается в угольную пыль и
непрерывно подаётся в топки котлов, в которых постоянно есть вода.

В
сутки расходуется 150 тысяч кубов воды, к чистоте которой предъявляют очень
высокие требования. Пар, который отработан в паровых турбинах, при охлаждении
превращается в воду и опять поступает в котлы. Чтобы охладить пар, каждые сутки
расходуется более 7 миллионов кубов воды, что приводит к загрязнению
водоёма-охладителя.

Совсем
недавно учёные обнаружили, что вокруг тепловой электростанции, которая работает
на угле, радиационный фон в 100 раз выше фона естественной радиации. Почему так
происходит? Дело в том, что в обычном угле всегда есть микропримеси урана 238,
тория 232 и радиоактивный изотоп углерода.

Именно
эти радионуклиды вместе с золой и другими продуктами сгорания попадают в
атмосферу, почву и водоёмы.

Кроме
ТЭС существуют ещё и гидроэлектростанции (ГЭС).

Это
наиболее простой способ получения электроэнергии. В таких электростанциях
энергию добывают из воды. Энергоноситель, то есть вода, поступает в турбину ГЭС
из верхнего бьефа реки и уходит в нижний бьеф. Бьеф – это часть реки, канала, водохранилища или другого водного
объекта, примыкающая к плотине
или электростанции. Энергия, которая вырабатывается ГЭС, дешевле энергии,
которую вырабатывает ТЭС, в среднем в 4 раза. Гидроресурсы всех рек на планете
оцениваются в 1000 триллионов киловатт-час. Но практически с помощью ГЭС можно
реализовать гидроресурсов в 30 раз меньше. Согласно оценкам специалистов,
использование потенциала всех рек планеты позволит энергетике обеспечить
человечество электроэнергией не более чем на 25 процентов.

Перед
вами таблица, в которой показаны объёмы гидроресурсов, используемых в разных
странах.

По
данным таблицы видно, что самое большое количество гидроресурсов используется
во Франции и Швейцарии – по 90 %, в то время как на Дальнем Востоке России
используется только 5 % гидроресурсов.

7
из 25 самых мощных гидроэлектростанций располагаются в странах Содружества
Независимых Государств. Самая крупная в России ГЭС – это Саяно-Шушенская.

Её
мощность составляет 6,4 миллиона киловатт. В мире она занимает 5 место по
мощности.

Братская
ГЭС мощностью 4,5 миллиона киловатт занимает в списке крупнейших
гидроэлектростанций 13 место.

Самая
крупная гидроэлектростанция в мире находится в Китае. Её мощность составляет
22,5 миллиона киловатт.

Все
гидроэлектростанции планеты делятся на две группы:

Но
вне зависимости от того, где протекает река, необходимо строить плотины,
которые будут создавать нужный напор воды и обеспечивать её запас в
водохранилищах для равномерной работы ГЭС в течение года.

При
строительстве гидроэлектростанций на равнинных реках возникает очень много
экологических проблем. Они связаны с тем, что нарушается естественная миграция
рыб и их нерестилищ. Затапливаются плодородные пойменные земли и так далее.

В
России ярким примером такой проблемы является Волга, которая перегорожена целым
каскадом плотин.

С
одной стороны, при их строительстве было затоплено множество прекрасных
пойменных земель в размере 1,78 сотых миллиона гектар и ноль целых семь десятых
миллиона гектар леса. Но с другой стороны, именно благодаря плотинам удалось
задержать и аккумулировать в водохранилищах паводковые воды. Стало возможным
судоходство по всей Волге, климат региона смягчился, что послужило толчком для
развития орошаемого земледелия. До появления на Волге плотин и водохранилищ на
территории Среднего и Нижнего Поволжья свирепствовали суховеи, которые называли
«чёрная мгла». Ежегодно происходили наводнения, которые уносили две трети
годового стока реки. А летом в этом регионе нарушалось водное сообщение и резко
уменьшался объём водопотребления.

Общая
мощность волжских гидроэлектростанций составляет 11 киловатт. Именно Волга
обеспечивает водой население Москвы и приволжских городов. В общей сложности –
около 60 миллионов человек.

Теперь
давайте поговорим об атомных электростанциях (АЭС).

В
реакторе атомной электростанции выделение тепловой энергии происходит за счёт
высвобождения энергии связи нейтронов и протонов при делении ядер урана 235.

И
это при том условии, что сжигается 1 грамм топлива. А если намного больше? Так,
допустим, в случае, если тепловая электростанция мощностью один миллион
киловатт за три года сжигает 250 000 вагонов угля, то атомная электростанция
такой же мощности за этот срок сжигает всего 2 вагона ядерного топлива.

Если
установка ГЭС требует наличия рек, то установка атомной электростанции возможна
в любом месте, где имеется достаточно воды для охлаждения реактора, где нет
серьёзной сейсмической опасности, осаждения грунта и угрозы разрушения здания
АЭС в результате каких-либо внешних причин.

В
среднем, атомная электростанция, мощность которой составляет 1 миллион киловатт
в год, производит не более двух кубических метров радиоактивных отходов.

Самая
большая проблема, которая возникает при строительстве атомных электростанций –
это захоронение ядерных отходов.

Дадим
определение.

Захоронение
отходов – это помещение отходов под землю, в заброшенные
угольные шахты, соляные копи, специально подготовленные подземные полости, в
глубочайшие впадины морского дна без возможности обратного извлечения; сброс
отходов в океаны и моря в специальных контейнерах, а иногда даже без них.

Проблема
заключается в том, что с течением времени контейнеры, в которых хранятся
отходы, ржавеют, или разрушаются в результате землетрясений, и тогда ядовитые
вещества опять попадают в окружающую среду. На сегодняшний момент ещё не разработаны
абсолютно безопасные методы захоронения отходов.

В
России самым популярным методом захоронения является метод кальцинации.
Отходы остекловывают в специальной вращающейся печке
– кальцинаторе. Газы, которые при этом образуются,
проходят специальную очистку.

Кроме
проблемы захоронения отходов, возникает вопрос о том, что делать с реакторами,
которые выработали свой ресурс.

Также
использование атомных электростанций представляет угрозу для человека и
окружающей среды. Все вы знаете об аварии на Чернобыльской атомной станции, в
результате которой пострадали сотни тысяч людей, проживающих не только рядом с
Чернобылем, но и далеко за его пределами. Данные события привели к образованию
радиоактивных пятен – мест выпадения радиоактивного дождя. Такой дождь выпал на
территории Беларуси, России, Австрии, Германии, Италии, Румынии, Польши, Швеции
и Финляндии.

Посмотрите,
как далеко эти страны находятся от Чернобыля, однако все они пострадали от
аварии.

События,
произошедшие на Чернобыльской АЭС, показали, что потери при аварии на ядерном
энергетическом реакторе в несколько раз превышают потери от аварий на
энергетической установке такой же мощности, которая работает на ископаемом
топливе. При работе реакторов атомных электростанций в окружающую среду
выделяется около 250 различных радиоактивных изотопов, что может привести к
тяжёлым последствиям в виде раковых заболеваний, врождённых дефектов,
ослабленного иммунитета у населения, проживающего рядом с реакторами. Именно
для того, чтобы влияние такого плана на людей было минимальным, большое
внимание при строительстве и эксплуатации атомных электростанций уделяется
очистке выбросов и отходов.

Для
того, чтобы принять решение о строительстве атомной электростанции, руководство
стран должно учитывать очень много факторов. Перечислим только некоторые из
них:

·     Потребность
региона в электроэнергии.

·     Природные
условия.

·     Наличие
достаточного количества воды.

·     Плотность
населения.

·     Вероятность
возникновения землетрясений.

·     Характеристика
верхних и нижних слоёв грунта и так далее.

В
настоящее время идёт поиск альтернативных источников энергии. О них мы
поговорим на следующих уроках.

Подведём
итоги.

Сегодня
мы с вами говорили об энергетике. Познакомились с принципами работы тепловых
электростанций, гидроэлектростанций и атомных электростанций. Рассмотрели
достоинства и недостатки эксплуатации каждого вида электростанции.

Тенденции развития мировой энергетики

№1(32), 2015

Экономика ТЭК

В статье анализируется прогноз развития мирового энергетического комплекса до 2040 г. по видам энергоресурсов, а также дается оценка состояния и перспектив развития ядерной энергетики.

Ключевые слова: прогнозы развития ТЭК, возобновляемые источники энергии, энергоэффективность, ядерная энергетика

Zakharov A., Ovakimyan M. World Energy Outlook

The article focuses on new projections of world energy development to 2040 by energy sources. Also the state and prospects of nuclear energy examined in depth.

Key words: energy outlook, renewable energy, efficient energy use , nuclear energy

Система глобальной энергетики может не оправдать ожиданий и надежд, возложенных на нее. Конфликт на Ближнем Востоке, в регионе, который остается единственным крупным поставщиком недорогой нефти, силой своей эскалации напоминает наиболее напряженные ситуации для глобальной энергетики, возникшие после нефтяных шоков 70-х годов. Ситуация между Россией и Украиной вернула на повестку дня вопрос о непрерывности газоснабжения. Неопределенное будущее ожидает атомную энергетику, которой некоторые страны отводят стратегическую роль в обеспечении своей энергетической безопасности. Сегодня электроэнергия все еще остается недоступной роскошью для многих, в частности, для двух третей населения, проживающего в африканских странах южнее Сахары.

Глобальный спрос на энергию, согласно оценкам Международного Энергетического Агентства (МЭА)[1], вырастет на 37% к 2040 г., в то же время рост населения и экономики будет менее энергоемким, чем раньше. В основном сценарии рост глобального спроса на энергию заметно замедлится — c более 2% в год в последние два десятилетия до 1% в год после 2025 г. из-за ценовых сигналов, энергетической политики и структурных сдвигов в мировой экономике в сторону большей доли сферы услуг и секторов легкой промышленности[2]. Глобальное распределение спроса на энергию резко изменится: с одной стороны, стагнация в Европе, Японии, Корее и Северной Америке, с другой стороны — бурный рост в Азии, где сосредоточится 60% мирового спроса, а также в Африке, на Ближнем Востоке и в Латинской Америке. Определенной вехой станет начало 2030-х годов, когда Китай станет крупнейшим потребителем нефти в мире, перегнав Соединенные Штаты Америки, где потребление нефти упадет до уровня, невиданного на протяжении уже нескольких десятилетий. С этого момента Индия, Юго-Восточная Азия, Ближний Восток и часть Африки к югу от Сахары станут основными локомотивами роста мирового энергетического спроса.

К 2040 г. на нефть, газ, уголь и низкоуглеродные источники энергии придется по четверти мирового рынка энергии. Проблем с нехваткой ресурсов не будет, но будут другие сложности. Хотя с помощью регулирования и рыночных механизмов доля ископаемого топлива в спросе на первичные виды энергии упадет до трех четвертей к 2040 г., остановить рост выбросов углекислого газа (CO2) в энергетической сфере не удастся, и их рост составит одну пятую от сегодняшнего уровня.

В ближайшей перспективе на нефтяном рынке не будет нехватки предложения, но важно понимать, что мы все больше будем зависеть от небольшого числа производителей нефти. Региональные тенденции спроса на нефть сильно отличаются: падение спроса на один баррель нефти в странах ОЭСР сопровождается ростом спроса на два барреля в странах, не входящих в ОЭСР. Растущее потребление нефти в транспорте и нефтехимии приводит к росту спроса с 90 млн баррелей нефти в сутки в 2013 г. до 104 млн баррелей в сутки в 2040 г. Однако высокие цены и меры по регулированию спроса замедлят темпы роста потребления нефти, что в итоге приведет к стагнации спроса. К 2030 г. необходимый объем инвестиций в разработку и добычу нефти и газа составит 900 миллиардов долларов в год, и неизвестно, будут ли все инвестиции сделаны вовремя, чтобы обеспечить уровень необходимой добычи — особенно с учетом предполагаемой стагнации уровня добычи нефти в США с начала 2020-х годов и последующего снижения. А рисков для поддержания необходимого уровня инвестиций несколько: сложность и капиталоемкость разработки бразильских глубоководных месторождений, трудности в применении американского опыта освоения месторождений трудноизвлекаемой нефти за пределами США, неопределенное будущее добычи канадских нефтяных песков, санкции в отношении России, ограничивающие доступ к технологиям и рынкам капитала и, главное, политическая нестабильность и вопросы безопасности в Ираке. Вообще, ситуация на Ближнем Востоке одна из основных проблем в нефтяном секторе, так как доля этого региона в добыче нефти будет неуклонно расти, особенно для азиатских стран, которые к 2040 г. будут импортировать две трети сырой нефти, торгуемой на международных рынках.

Спрос на природный газ вырастет более чем на половину — это самый быстрый темп роста среди ископаемых видов топлива. Более гибкая мировая торговля сжиженным природным газом (СПГ) обеспечит некоторую защиту от риска перебоев в его поставках. Основными регионами роста спроса будут Китай и страны Ближнего Востока, а в странах ОЭСР газ станет основным видом топлива в энергетическом балансе к 2030 г., чему поспособствует введение в Соединенных Штатах ограничений на уровень выбросов электростанций. В отличие от нефти, добыча газа увеличится почти везде (за исключением Европы), а на долю нетрадиционных ресурсов придется почти 60% мирового роста поставок. Однако, за пределами США, будет ли цена на газ привлекательной одновременно и для потребителей, и для производителей, которые должны инвестировать огромные средства в добычу? Это вопрос также о регулировании внутреннего рынка газа многих развивающихся стран, например, Индии и Ближнего Востока. Потребности в импорте будут расти в большей части Азии, а также в Европе, и растущее число экспортеров газа, утроение количества заводов СПГ и возрастающая способность рынков СПГ быстрее перенаправлять потоки в дефицитные регионы обеспечат большую уверенность для покупателей на международном газовом рынке.

Запасы угля огромны, проблем с его производством нет, но в будущем спрос на него ограничивается мерами по борьбе с загрязнением окружающей среды и снижению выбросов CO2. Мировой спрос на уголь вырастет на 15% к 2040 г., но почти две трети этого роста придется на ближайшее десятилетие. Спрос на уголь в Китае достигнет плато на уровне чуть более 50% всего мирового потребления, а затем начнет снижаться после 2030 г. Также снизится спрос на уголь и в странах ОЭСР, в том числе в Соединенных Штатах, где использование угля для производства электроэнергии снизится более чем на одну треть. Индия обгонит США и станет вторым крупнейшим рынком в мире к 2020 г., и вскоре после этого обойдет и Китай в качестве крупнейшего импортера угля. Текущие низкие цены на уголь оказывают давление на производителей во всем мире, заставляя сокращать расходы на его добычу, но с закрытием высокозатратных шахт и с ростом спроса ожидается, что цены будут расти, чтобы привлекать новые инвестиции в этот сектор. На Китай, Индию, Индонезию и Австралию будет приходиться более 70% мирового производства угля к 2040 г. , что подчеркивает важность азиатского региона на рынках угля. Внедрение высокоэффективных технологий на угольных электростанциях, а в более долгосрочной перспективе, также технологий улавливания и хранения выбросов CO2, могут оказаться эффективными мерами по обеспечению плавного перехода к низкоуглеродной энергетике, не давая вместе с тем закрывать добычу еще до момента возврата инвестиций.

Для повышения энергоэффективности потребуются правильная ценовая политика и регулирование. Энергоэффективность позволяет нейтрализовать напряженность в системе поставок энергоносителей и уменьшает влияние относительно высоких региональных цен на конкурентоспособность данного региона. Во многих странах опять повышается интерес к мерам для поднятия энергоэффективности, в особенности в транспортном секторе. Так как три четверти мирового автомобильного рынка теперь подпадает под действие технических стандартов по расходу топлива, то даже при том, что парк легковых и грузовых автомобилей возрастет более чем в два раза к 2040 г. , ожидается, что спрос на нефть в транспорте повысится лишь на четверть. Таким образом, повышение энергоэффективности позволит к 2040 г. избежать «лишнего» спроса в объеме 23 млн барр. нефти в сутки, что больше, чем сегодняшняя добыча Саудовской Аравии и России вместе взятых. А в газовом секторе экономия составит 940 млрд кубических метров, т. е. больше, чем сегодняшняя добыча во всей Северной Америке, благодаря использованию новых технологий в электроэнергетике и промышленности. Выгод от этого несколько: помимо сокращения затрат на импорт энергоресурсов и уменьшения вредного воздействия на окружающую среду, это также станет средством для стран-импортеров энергоносителей противостоять возможному негативному воздействию высоких цен на энергоносители на конкурентоспособность их промышленности. Ситуация с межрегиональной разницей в ценах будет оставаться прежней. При этом в Северной Америке будут относительно более низкие цены на энергоносители, а в 2020-х г.х средняя стоимость энергоносителей в США может упасть ниже китайских показателей.

Субсидии для потребления топлива и электроэнергии из ископаемых видов топлива достигли 550 млрд долларов в 2013 г., что почти в четыре раза больше, чем дотации сектору возобновляемых источников энергии и что сильно сдерживает инвестиции в повышение энергоэффективности и разработку возобновляемых источников энергии. На Ближнем Востоке около 2 млн баррелей субсидируемой сырой нефти и нефтепродуктов в сутки используются для выработки электроэнергии. А если бы не эти субсидии на топливо, основные технологии возобновляемой энергетики могли бы составить конкуренцию тепловым электростанциям. В Саудовской Аравии, например, период окупаемости дополнительных затрат на покупку новых автомобилей, которые в два раза более экономичны, составляет около 16 лет, а при отсутствии субсидий на бензин этот срок окупаемости сократился бы до 3 лет. Реформирование энергетических субсидий является непростой задачей, и не существует единой формулы ее успеха. Тем не менее, наш анализ примеров в Египте, Индонезии и Нигерии показывает, что для успеха необходимы ясное понимание целей и четкость графика проводимых реформ, тщательная оценка их последствий и способы их смягчения.

Электрическая энергия является самым быстрорастущим рынком среди энергоносителей и больше всех способствует сокращению доли ископаемого топлива в мировом энергетическом балансе. В связи с ожидаемым ростом спроса на электроэнергию потребуется построить около 7200 гигаватт генерирующих мощностей, включая замену для тех электростанций, которые будут выведены из эксплуатации к 2040 г. (около 40% от текущих мощностей). Неуклонный рост использования возобновляемых источников энергии во многих странах к 2040 г. повысит их долю в мировом производстве электроэнергии до одной трети от всей генерации. Адекватные ценовые сигналы будут необходимы для обеспечения своевременных инвестиций в новые тепловые электростанции, что, наряду с инвестициями в возобновляемые источники энергии, обеспечит надежность энергосистемы. В некоторых случаях потребуются рыночные реформы или изменения принципов образования цен на электроэнергию. Сдвиг в сторону более капиталоемких технологий и высоких цен на ископаемое топливо приведет, в большинстве стран мира, к росту средних издержек электроснабжения и цен для конечных потребителей. Тем не менее, повышение эффективности конечного использования энергии поможет сократить долю расходов домохозяйств на электричество.

Технологии использования возобновляемых источников энергии, которые являются одним из важнейших компонентов низкоуглеродных энергоресурсов, продолжают быстро развиваться по всему миру с помощью субсидий, которые в 2013 г. выросли до 120 млрд долларов. Благодаря быстрому сокращению затрат и постоянной государственной поддержке, на возобновляемые источники энергии к 2040 г. придется почти половина от увеличения производства электроэнергии, в то время как использование биотоплива увеличится почти втрое и составит 4,6 млнбарр. в сутки, а использование возобновляемых источников энергии для выработки тепла вырастет более чем в два раза[3]. Доля возобновляемых источников энергии в производстве электроэнергии больше всего вырастет в странах ОЭСР, достигнув 37%, и их рост будет равным чистому приросту поставок электроэнергии в этих странах. Между тем, генерация энергии из возобновляемых источников вырастит более чем в два раза в странах, не входящих в ОЭСР, во главе с Китаем, Индией, Латинской Америкой и Африкой. Ветроэнергетика составит львиную долю роста в генерации энергии из возобновляемых источников (34%), за ней последуют гидроэнергетика (30%) и солнечная энергетика (18%). Поскольку доля использования энергии ветра и солнца в энергетическом балансе мира увеличится в четыре раза, их интеграция как с технической, так и с рыночной точки зрения представит больше сложностей. В странах Европейского Союза использование энергии ветра достигнет 20% от общего производства электроэнергии, в то время как в Японии использование солнечной энергии в летний период составит 37% от пикового спроса.

Ядерная энергетика останется составной частью национальных энергетических стратегий даже в тех странах, которые осуществляют поэтапное закрытие атомных станций и ищут им замену. В основном сценарии мощности атомной энергетики вырастут почти на 60% — с 392 ГВт в 2013 г. до более чем 620 ГВт в 2040 г. Но доля атомной энергии в мировом производстве электроэнергии, которая достигла своего максимума почти два десятилетия назад, увеличится всего лишь на один процентный пункт и составит 12%. Эта модель роста отражает проблему, которая ожидает все типы новых тепловых мощностей на конкурентных энергетических рынках, наряду с более специфическими для атомной энергетики экономическими, техническими и политическими сложностями. Атомная энергетика растет в основном в странах с регулируемыми ценами и в странах с государственной поддержкой этого сектора. На долю Китая придется 45% всего прироста атомной генерации к 2040 г., а суммарный рост в Индии, Кореи и России составит 30%. В США использование ядерной энергетики увеличится на 16%, оно восстановится в Японии (хотя и не достигнет уровня, предшествующего Фукусимской трагедии) и уменьшится на 10% в Европейском Союзе.

Несмотря на трудности, с которыми в настоящее время сталкивается атомная энергетика, ее свойства достаточно привлекательны для нескольких стран, которые не отказываются от нее. Атомные электростанции помогают повышать надежность энергосистемы в регионах, где в состав энергосистемы входят генерирующие мощности разных видов. Странам-импортерам энергоносителей это может позволить уменьшить зависимость от зарубежных поставок и ограничить воздействие колебаний стоимости энергоносителей на международных рынках. В дополнительном сценарии, где рассматривается снижение мощностей атомной энергии (на 7% к 2040 г. по сравнению с сегодняшними мощностями), показатели энергетической безопасности, как правило, ухудшаются в странах с ядерной энергетикой.

Атомная энергия дает одну из немногих возможностей крупномасштабных мер по сокращению выбросов углекислого газа, так как она способна служить базовой частью энергосистемы. Начиная с 1971 г., использование энергии атома позволило избежать выброса в атмосферу около 56 гига тонн СО2, что соответствует почти двухлетнему общему объему мировых выбросов загрязняющих веществ при сегодняшнем уровне. В 2040 г. за счет ядерной энергетики удастся избежать почти 50% ежегодно объемов выбросов в Корее на тот момент, 12% в Японии, 10% в США, 9% в Евросоюзе и 8% в Китае. Средние затраты, необходимые для уменьшения выбросов в атмосферу с помощью внедрения новых атомных мощностей, зависят от особенностей энергетического баланса и расходов, осуществляемых на закупку тех видов топлива, которые они вытесняют, и, следовательно, будут в диапазоне от очень низких расходов до более чем 80 долларов за тонну.

В период до 2040 г., около 200 ядерных реакторов (из 434 эксплуатируемых на конец 2013 г.) будут выведены из эксплуатации, в основном в Европе, США, России и Японии. Задача восполнения нехватки генерирующих мощностей особенно остро стоит в Европе. Еще задолго до истечения лицензионного срока эксплуатации атомных электростанций, их операторы должны будут либо начинать закрывать их и строить альтернативные мощности, либо планировать дальнейшую эксплуатацию. Им нужны максимально четкие представления о правилах продления лицензий и закрытия станций. По оценкам МЭА, стоимость вывода из эксплуатации ядерных установок, работу которых необходимо будет остановить до 2040 г., составит более 100 млрд долларов. Но большой уверенности в этой сумме нет, так как очень мало практического опыта демонтажа и дезактивации реакторов и восстановительных работах на данных участках земли. Регулирующие органы и энергетики должны планировать эти будущие расходы.

Беспокойство общественности по поводу ядерной энергетики должно быть принято во внимание. Опыт последних лет показывает, что общественное мнение способно играть определяющую роль в вопросе будущего атомной энергетики. Главной причиной обеспокоенности является безопасность работы реакторов, должное обращение с радиоактивными отходами и предотвращение распространения ядерного оружия. Уверенность в компетентности и независимости регулирующих органов здесь необходима, особенно при растущей атомной энергетике: в нашем основном сценарии число стран с ядерной энергетикой вырастит с 31 до 36, принимая во внимание также страны, которые откажутся от атомной энергии до 2040 г. Суммарный объем отработанного ядерного топлива удвоится и составит более 700 тыс. тонн за весь прогнозируемый период. Между тем, ни в одной стране еще нет постоянных сооружений для захоронения долгоживущих и высокорадиоактивных отходов, производимых промышленными реакторами. Всем странам, которые когда-либо производили радиоактивные отходы, необходимо разработать планы по определению мест их постоянного захоронения.

Энергетическое будущее Африки южнее Сахары

Население, не имеющее доступа к современным энергоносителям, живет в условиях худшего энергодефицита. По имеющимся данным, около 620 млн человек, проживающих на Африканском континенте к югу от Сахары, не имеют доступа к электроэнергии, а для тех, кому она доступна, энергоснабжение часто ненадежно и дорого. Около 730 млн человек, живущих в этом регионе, для приготовления пищи используют твердую биомассу на примитивных приспособлениях, которые вызывают загрязнение воздуха внутри помещений, что ежегодно приводит к 600 000 случаям преждевременной смерти в Африке. К югу от Сахары проживает около 13% мирового населения, но этот регион потребляет всего лишь 4% мирового предложения энергии (при чем более половины приходится на твердую биомассу). Регион богат энергетическими ресурсами, но они, по большей части, используются в очень ограниченном масштабе. За последние пять лет почти 30% мировых открытий месторождений нефти и газа пришлись на этот регион, который также наделен огромными ресурсами возобновляемых источников энергии, в особенности солнечными- и гидроэнергетическими ресурсами, ровно как и ветровыми и геотермальными источниками энергии.

Энергетическая система субконтинента будет стремительно развиваться, но многие проблемы будут решены лишь частично. К 2040 г. экономика вырастет в четыре раза, население увеличится почти в два раза, а спрос на энергию вырастет примерно на 80%. Объем генерирующих мощностей также увеличится в четыре раза и почти половина этого роста придется на возобновляемые источники энергии, которые будут играть все большую роль в небольших и изолированных электрических системах, в сельских районах. В целом, около миллиарда человек получат доступ к электроэнергии к 2040 г., тем не менее, более чем полмиллиарда населения все еще не будут иметь доступа к электрической энергии. Объемы добычи в Нигерии, Анголе и множества небольших местных производителей показывают, что этот регион останется важным источником экспорта нефти, несмотря на увеличение внутреннего спроса. Регион также станет важным участником газового рынка, так как разработка крупных месторождений на побережье Мозамбика и Танзании дополнит растущие объемы добычи в Нигерии и других странах.

Энергетический сектор региона может внести больший вклад в рост благополучия. В сценарии «Век Африки», представленным МЭА, предложены три направления работ энергетического сектора, сопровождаемые внедрением реформ, к 2040 г. повысят ВВП южно-сахарской Африки еще на 30%.

• В электроэнергетике: дополнительные инвестиции, которые вдвое сократят случаи отключения подачи электроэнергии и приведут к всеобщей электрификации городов.
• Усиление регионального сотрудничества: расширение рынков сбыта и реализация большей части гидроэнергетического потенциала континента.
• Более эффективное управление энергетическими ресурсами и доходами от их реализации: большая эффективность и прозрачность финансирования глобальной перестройки инфраструктуры.

Современная интегрированная энергетическая система позволит более эффективно использовать ресурсы и обеспечит энергией большую часть населения беднейших регионов южно-сахарской Африки. Чтобы двадцать первый век действительно стал «веком Африки», нужны целенаправленные программы для развития энергетического сектора.

Примечания

[1] Международное энергетиическое агентство (МЭА; англ. InternationalEnergyAgency, IEA) — автономный международный орган в рамках Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР).

[2]WorldEnergyOutlook 2014 — Доклад Международного Энергетического Агентства

[3] Нефтяной баррель — единица измерения объёманефти, равная 42 галлонам или 158,988 литрам.

4. Источники энергии

Версия на испанском языке
также доступна »

Преподавание источников энергии поддерживается 7 ключевыми концепциями:

4.1 Люди переносят и преобразуют энергию из окружающей среды в формы, полезные для человеческих усилий. Основными источниками энергии в окружающей среде являются такие виды топлива, как уголь, нефть, природный газ, уран и биомасса. Все виды топлива из первичных источников, за исключением биомассы, являются невозобновляемыми. Первичные источники также включают возобновляемые источники, такие как солнечный свет, ветер, движущаяся вода и геотермальная энергия.

Есть еще 6 основных понятий. Посмотреть их все…

Скрыть

4.2 Использование энергии человеком ограничено. Промышленность, транспорт, городское развитие, сельское хозяйство и большинство других видов человеческой деятельности тесно связаны с количеством и видом доступной энергии. Наличие энергетических ресурсов ограничено распределением природных ресурсов, наличием доступных технологий, социально-экономической политикой и социально-экономическим статусом.

4.3 Ископаемое и биотопливо представляют собой органические вещества, содержащие энергию, захваченную солнечным светом. Энергия ископаемых видов топлива, таких как нефть, природный газ и уголь, поступает из энергии, которую производители, такие как растения, водоросли и цианобактерии, давным-давно захватили из солнечного света. Энергия в биотопливе, таком как продукты питания, древесина и этанол, поступает из энергии, которую производители совсем недавно получили от солнечного света. Энергия, запасенная в этих видах топлива, высвобождается во время химических реакций, таких как горение и дыхание, которые также выделяют углекислый газ в атмосферу.

4.4 Люди переносят энергию с места на место. Топливо часто не используется у источника, а транспортируется, иногда на большие расстояния. Топливо транспортируется в основном по трубопроводам, грузовиками, кораблями и поездами. Электрическая энергия может быть получена из различных энергетических ресурсов и может быть преобразована практически в любую другую форму энергии. Электрические цепи используются для распределения энергии в отдаленные места. Электричество является не первичным источником энергии, а энергоносителем.

4.5 Люди производят электричество несколькими способами. Когда магнит перемещается или магнитное поле изменяется относительно катушки с проволокой, электроны индуцируются в проволоке. Большая часть производства электроэнергии человеком происходит таким образом. Электроны также можно заставить течь за счет прямого взаимодействия с легкими частицами; это основа, на которой работает солнечный элемент. Другие способы получения электричества включают электрохимические, пьезоэлектрические и термоэлектрические.

4.6 Люди намеренно накапливают энергию для последующего использования различными способами. Примеры включают батареи, резервуары для воды, сжатый воздух, водород и тепловые аккумуляторы. Хранение энергии сопряжено со многими технологическими, экологическими и социальными проблемами.

4.7 Различные источники энергии и различные способы преобразования, транспортировки и хранения энергии имеют свои преимущества и недостатки. Данная энергетическая система, от источника до потребителя, будет иметь присущий уровень энергоэффективности, денежных затрат и риска для окружающей среды. Каждая система также будет иметь последствия для национальной безопасности, доступа и справедливости.

Тема источников энергии может быть одной из определяющих в жизни наших студентов.

По мере того, как нефтяные ресурсы становятся все более опасными, разведка раздвигает границы технологических возможностей, таких как бурение в глубоких прибрежных водах.

Происходит энергетический переход. Знаменательное Парижское соглашение по климату 2016 года дало четкий сигнал о том, что во всем мире необходимо двигаться в направлении низкоуглеродной энергетики. Несмотря на то, что США намереваются выйти из Парижского соглашения, переход на экологически чистую энергию не ослабевает, и его возглавляют другие страны мира, а также штаты, города и корпорации США.

Истоки нашего энергоснабжения — захватывающая и привлекательная тема для студентов, которая является отличным способом узнать о различных способах получения энергии, а также о влиянии и социальных последствиях различных видов энергии. Эти концепции вращаются вокруг энергии, которая используется в человеческих целях, включая возобновляемые и невозобновляемые источники энергии, хранение энергии, производство электроэнергии и транспортировку энергии с места на место.

Важной отправной точкой для этой темы является концепция возобновляемых и невозобновляемых источников энергии. Многие студенты уже знакомы с идеей о том, что ископаемое топливо регенерируется гораздо медленнее, чем мы его используем, поэтому оно невозобновляемо. Возобновляемая энергия существует во многих формах: гидроэлектроэнергия, солнечная энергия, ветер, геотермальная энергия и биотопливо. Каждый из них предлагает множество связанных тем и нюансов. Например, солнечная энергия может генерироваться на одной крыше или на больших солнечных фермах коммунального масштаба. Солнечная энергия также может генерироваться на концентрирующих солнечных электростанциях, которые используют массив зеркал для направления солнечной энергии на центральную башню. Этот тип солнечной энергии может поставлять энергию даже ночью. Подробное изучение производства энергии может предотвратить чрезмерно упрощенное определение конкретных видов энергии как хороших или плохих.

Также стоит остановиться на практических и технологических аспектах энергетики. Распределение энергетических ресурсов по земному шару неравномерно, так как в одних регионах есть изобилие источников энергии, а в других нет. Районы, где энергия используется наиболее интенсивно, не обязательно являются теми же местами, где естественным образом существуют энергетические ресурсы. Например, богатые залежи нефти и газа находятся в прибрежной морской среде, а ветряные электростанции расположены в сельской местности. В обоих случаях эта энергия транспортируется к месту, где энергия потребляется. Кроме того, конечное использование энергии зависит от географии, времени года и времени суток. Таким образом, энергию необходимо транспортировать, хранить и преобразовывать из одной формы в другую, чтобы она была доступна, когда и где она необходима.

Изучение источников энергии предлагает практические уроки

Сопутствующее видео Министерства энергетики
Посмотреть версию этого видео не на YouTube

Сегодняшние студенты являются свидетелями возрождения энергетических технологий. После десятилетий использования энергии с преобладанием ископаемого топлива предстоит исследовать широкий спектр инновационных вариантов. Отказ от углеродоемких видов топлива в мире является важной темой, которая предлагает богатые, актуальные, многогранные возможности для обучения. К изучению источников энергии можно подходить с точки зрения инженерии, общественного здравоохранения, экономики или международной торговли, что делает междисциплинарный подход идеальным (эти идеи также рассматриваются в Energy Decisions).

Точно так же, как экосистемы зависят от поступления энергии, человеческие общества также зависят от энергии для инфраструктуры, транспорта, продуктов питания и большинства других видов человеческой деятельности. Однако существуют пределы того, сколько энергии доступно данному обществу. Даже возобновляемые формы энергии зависят от географического положения и технологической доступности. Запасы невозобновляемых источников энергии ограничены и оказывают влияние на их добычу, транспортировку и потребление. Ценообразование на энергию, энергетическая справедливость и энергетическая безопасность — все это факторы, определяющие доступность энергии для различных слоев общества. Некоторые общества обладают избытком энергии, в то время как другие изо всех сил пытаются удовлетворить свои основные потребности. Изучая эти концепции, учащиеся могут начать понимать, как люди зависят от использования энергии, но также ограничены практическими аспектами использования энергии.

Помочь учащимся понять эти идеи

График Управления энергетической информации, показывающий разбивку энергопотребления по различным источникам. Это изображение ежегодно обновляется, и актуальную информацию можно найти по адресу https://www.eia.gov/energyexplained/us-energy-facts/

. Большинство учащихся уже понимают, что энергия может происходить из многих источников. Однако у них могут быть неправильные представления о том, откуда берется их собственная энергия или сколько энергии берется из различных источников. Например, студенты могут быть удивлены, узнав, что лишь небольшая часть энергоснабжения США приходится на ветряные турбины и другие возобновляемые источники (11% в 2018 г.), а 80% — на ископаемое топливо. Ядерная энергетика обеспечивает 8% энергоснабжения США (Управление энергетической информации, эта страница ежегодно обновляется). Несмотря на популярность и важность технологий использования возобновляемых источников энергии, важно понимать, что ископаемые виды топлива по-прежнему составляют большую часть нашего энергетического портфеля, и, по прогнозам, так будет и в ближайшие десятилетия (источник: Управление энергетической информации, 2020 г.).

Это иллюстрирует исключительные проблемы, с которыми мы сталкиваемся, выходя за рамки ископаемой энергии. Отказ от ископаемого топлива вызывает новый набор вопросов, таких как хранение энергии, аккумуляторная технология и энергоснабжение, которое связано с многочисленными прерывистыми источниками, а не с несколькими стационарными электростанциями.

Сегодняшние студенты, скорее всего, с энтузиазмом относятся к возобновляемым источникам энергии, что является отличным способом их вовлечь. Но важно, чтобы они узнали о проблемах и реалиях капитального ремонта энергетической системы. Например, рассмотрите огромные установки возобновляемой энергии, которые потребуются для замены 80% энергоснабжения, поступающего от ископаемого топлива, и логистику, где разместить ветряные турбины, солнечные фермы или другую новую энергетическую инфраструктуру. Числа важны. Количественное рассмотрение этих предметов ясно показывает, что нам предстоит пройти долгий путь, чтобы обеспечить надежное, безопасное и экологически чистое энергоснабжение.

Принесите эти идеи в ваш класс

Наше энергетическое будущее — это не только многие темы, которые мы преподаем, но и проблема, на которую нет однозначного ответа. Это может быть захватывающим призывом к действию для студентов. Возможно, они будут частью проектных решений? В научных стандартах следующего поколения особое внимание уделяется инженерному делу, дизайну, междисциплинарному мышлению и решению проблем. Эти способы мышления необходимы для решения этой проблемы.

Энергия является частью жизни каждого студента и используется повсюду вокруг нас. Поэтому легко найти уместность в обучении источникам энергии. Упражнение «Источник энергии» требует от групп учащихся создать концептуальный эскиз электричества, который начинается с их собственного выключателя света, и проследить его как можно дальше. Это упражнение можно использовать на любом уровне обучения, оно служит вводным заданием, которое может подтолкнуть к дальнейшим исследованиям, а также выявить неверные представления. Учащиеся могут развить эту концепцию и разработать свои собственные энергетические портфолио на основе интернет-исследований о различных источниках энергии.

Учащиеся также могут ознакомиться с передовыми энергетическими инновациями, такими как солнечная черепица для крыш, энергия водорослей или новые способы хранения энергии. Почти каждый день мы узнаем о новой возможности. Обратной стороной этого является то, что преподавателям может быть трудно идти в ногу с быстрыми изменениями. Например, цены на возобновляемые источники энергии падают с каждым годом, а установки возобновляемых источников энергии опережают прогнозы по всему миру. Педагоги должны внимательно следить за тем, чтобы предоставлять актуальную информацию, что может включать проверку и обновление цифр каждый год. Управление энергетической информации предлагает множество данных, карт, графиков и прогнозов, которые можно использовать для изучения ряда вопросов.

Учебные материалы из коллекции CLEAN

Средняя школа

• Energy for You показывает учащимся, как исследовать виды энергетических ресурсов в их родном штате.
• Биотопливо из водорослей: новая возобновляемая энергия — учащиеся изучают основные жизненные потребности водорослей (фитопланктона) с помощью практического опыта и интерактивной игры.

Программа

• Oceans of Energy посвящена исследованию океана как способу научиться собирать, контролировать и распределять возобновляемые энергетические ресурсы океана. Студенты исследуют один источник энергии океана с помощью Интернета, а затем строят микро-гидрогенератор.

Старшая школа

• Дебаты о великой энергии позволяют студенческим командам выработать ключевые точки зрения на плюсы и минусы назначенного им источника энергии и сравнить его с другими.
• The United States of Energy — это привлекательная интерактивная карта и база данных, которые иллюстрируют производство и потребление энергии в разных штатах. Полезно для интернет-исследований, проводимых студентами, или для сравнения энергии в разных состояниях.
• Карты ветра — это карта среднегодовой скорости ветра на высоте 80 метров над землей. Эту карту можно использовать для оценки потенциала ветровой энергии в США.

Связанные педагогические методы

Обучение энергии с количественными навыками

Обучение количественно сравнить потенциальную мощность ветрового ресурса каждой фермы.

Наша энергетическая система — это интерактивная диаграмма Национальной академии наук, которая показывает, как мы полагаемся на различные первичные источники энергии для снабжения энергией четырех секторов конечного использования (жилого, коммерческого, промышленного и транспортного).

В проекте

Поиск заданий и наглядных материалов для преподавания этой темы

Поиск по уровню обучения: средняя школа средняя школа введение колледж старшие классы колледж поиск все уровни обучения

Ссылки

Общее производство и потребление энергии по штатам — интерактивная карта США, на которой показаны производство, потребление и источники энергии для каждого штата. Вкладки в верхней части каждой страницы содержат подробную информацию об энергии в каждом состоянии. На момент написания этой статьи данные были за 2017 год, и вполне возможно, что Управление энергетической информации продолжит обновлять эту страницу.

Hourly Electric Grid Monitor от Управления энергетической информации показывает в режиме реального времени графики источников электроэнергии, работающих в различных регионах США. Выпадающее меню в левом верхнем углу предлагает дополнительные инструменты для анализа электроэнергии.

Ежегодный энергетический обзор от Управления энергетической информации. Это «вечнозеленый» источник, который обновляется каждый год. В отчете представлены тенденции использования энергии, производства электроэнергии, выбросов CO ₂ и т. д.

50 State Targets for Clean Energy — это набор из 50 информационных бюллетеней/инфографики, показывающих конкретные планы по переходу на возобновляемые источники энергии в каждом штате США. Данные включают создание рабочих мест. Данные Стэнфордского университета.

« Предыдущая страница      Следующая страница »

Возобновляемые ресурсы | Национальное географическое общество

Когда дело доходит до энергетических ресурсов, всегда возникает вопрос устойчивости. Важно, чтобы ресурсы обеспечивали достаточно энергии для удовлетворения наших потребностей — для обогрева наших домов, питания наших городов и работы наших автомобилей. Однако важно также учитывать, как эти ресурсы можно использовать в долгосрочной перспективе. Некоторые ресурсы практически никогда не закончатся. Они известны как возобновляемые ресурсы. Возобновляемые ресурсы также производят чистую энергию, что означает меньшее загрязнение окружающей среды и выбросы парниковых газов, которые способствуют изменению климата.

Источники энергии в Соединенных Штатах эволюционировали с течением времени, от использования древесины до девятнадцатого века до более позднего использования невозобновляемых ресурсов, таких как ископаемое топливо, нефть и уголь, которые до сих пор являются доминирующими источниками энергии. Но Земля имеет ограниченный запас этих ресурсов. В последнее время использование возобновляемых ресурсов начало увеличиваться. По данным Агентства по охране окружающей среды США, в 2017 году 11 процентов потребления энергии в США приходилось на возобновляемые ресурсы9.0004

Существуют некоторые проблемы, связанные с использованием возобновляемых ресурсов. Например, возобновляемая энергия может быть менее надежной, чем невозобновляемая энергия, с сезонными или даже ежедневными изменениями в объеме производства. Тем не менее, ученые постоянно решают эти проблемы, работая над улучшением осуществимости и надежности возобновляемых ресурсов.

Возобновляемые ресурсы включают энергию биомассы (например, этанол), гидроэнергетику, геотермальную энергию, энергию ветра и солнечную энергию.

Биомасса относится к органическому материалу растений или животных. Сюда входят древесина, сточные воды и этанол (который поступает из кукурузы или других растений). Биомасса может использоваться в качестве источника энергии, потому что этот органический материал поглощает энергию Солнца. Эта энергия, в свою очередь, высвобождается в виде тепловой энергии при сгорании.

Гидроэнергетика — один из старейших возобновляемых ресурсов, который используется уже тысячи лет. Сегодня каждый штат США использует некоторое количество гидроэлектроэнергии. В гидроэнергетике механическая энергия текущей воды используется для выработки электроэнергии. Гидроэлектростанции используют поток рек и ручьев, чтобы вращать турбину для питания генератора, вырабатывающего электроэнергию.

Геотермальная энергия получается из тепла, выделяемого глубоко в недрах Земли. Геотермальные резервуары можно найти на границах тектонических плит вблизи вулканической активности или глубоко под землей. Геотермальную энергию можно использовать путем бурения скважин для подачи горячей воды или пара на электростанцию. Затем эта энергия используется для отопления и электричества.

Энергия ветра вырабатывает электроэнергию, вращая ветряные турбины. Ветер толкает лопасти турбины, а генератор преобразует эту механическую энергию в электричество.