Основи екології - Олійник Я.Б. - 6.1. Світова енергетична криза та шляхи її подолання

Енергетика є основою усього світового господарства. Приблизно чверть усіх споживаних енергоресурсів витрачається у електроенергетиці. Інші 3/4 - це промислове і побутове тепло, транспорт, металургійні і хімічні процеси. Щорічне споживання енергії у світі невпинно зростає, адже стабільний прогрес економіки не можливий без постійного розвитку енергетики.

Життя - це передусім енергія, і історія розвитку цивілізації - це історія оволодіння технологіями одержання енергії. Первісна людина почала з використання відновних джерел енергії. Спочатку це була енергія спалення дров та іншої целюлозовмісної органіки, а також мала енергетика млинів і вітряків. Але технічна революція стала можливою лише за умови переходу до невідновних (традиційних) джерел, на першому етапі - вугілля, на другому етапі - нафти й газу.

Протягом майже всієї історії людства головним джерелом енергії була ручна праця. Деякою мірою вона доповнювалася енергією домашніх тварин, води та вітру. Але тварини не можуть довго працювати без перерви, застосування водних коліс потребує наявності водойм, а вітряки крутяться не завжди та з мінливою швидкістю.

До початку XVIII ст. вже було винайдено багато машин. Основною перешкодою до їх застосування була нестача рухомої сили. Винахід парового двигуна наприкінці XVIII ст. став переломним моментом, який призвів до Промислової революції. Спочатку основним паливом для парових двигунів були дрова. Пізніше, із зростанням потреб в енергії та зведенням лісів, дрова було замінено на вугілля. Наприкінці XIX ст. саме вугілля стало головним енергоресурсом людини. Але видобування вугілля небезпечне, його незручно перевозити, а при спалюванні воно сильно забруднює атмосферу.

Тому на початку XX ст. на зміну вугіллю прийшла нафта. Люди опанували буріння нафтових свердловин, навчилися переганяти нафту до бензину, дизельного пального та мазуту, винайшли двигун внутрішнього згоряння. Порівняно з вугіллям, нафтопродукти простіше транспортувати, а при їх згорянні отримується менше відходів, серед яких немає попелу. Крім того, енергоємність бензину (тобто кількість енергії, що виділяється при спалюванні одиниці маси) значно вище, ніж у вугілля. Тому у середині 50-х років XX ст. нафтопродукти стали найпоширенішим енергоресурсом людства. Природний газ (метан), який видобувається разом з нафтою або під час нафторозвідувальних робіт, при згорянні дає ще менше, ніж нафта, побічних продуктів та не розтікається поверхнею землі. Тому з погляду екології природний газ є найчистішим пальним.

Також у першій половині XX ст. з'явилася електрика. Але вона є вторинним енергоресурсом, тобто для її отримання потрібен первинний - вугілля, нафта, ядерне паливо. І у 60-ті роки минулого століття ще одним джерелом енергії стає ядерне паливо, яке нині перебуває на другому місці за значенням в енергоресурсах техносфери. Головним джерелом його є викопний уран, більша частина якого у літосфері дуже розсіяна.

Серед усіх напрямків використання людиною паливно-енергетичних ресурсів (ПЕР) можна виділити такі найголовніші:

- транспорт;

- промисловість - металургія, хімічний синтез, виготовлення готових виробів;

- температурний контроль - опалення та охолодження приміщень, гаряче водопостачання;

- виробництво електроенергії, необхідної для роботи електромоторів, освітлення, побутової та промислової електроніки.

Головним споживачем нафтопродуктів залишається транспорт; ядерне паливо слугує лише для виробництва електрики і не може використовуватися на транспорті. Поява нового джерела енергії не виправить становища, якщо енергію з цього джерела не можна буде використовувати там, де сьогодні використовують нафту. Отже, головною енергетичною проблемою у світі є проблема виснаження запасів нафти"

У 70-ті роки XX ст. багато економічно розвинених країн вступили у смугу так званої "енергетичної кризи", тобто відставання темпів видобування нафти від темпів її споживання. У результаті почався активний пошук шляхів економії енергії та її альтернативних джерел. У наш час невідповідність видобування енергоресурсів їхньому споживанню ще більша - ми споживаємо значно більше, ніж виробляємо. Загальне енергоспоживання має такий вигляд: нафтопродукти - 44 %, природний газ - 21 %, вугілля - 22 % у ядерне паливо, гідростанції та інші енергоресурси - 13 %.

Родовища викопних видів палива на планеті розташовані дуже нерівномірно. Близько третини потенційних світових запасів вугілля і газу та більше 20 % нафти знаходяться у Росії. Близько 35 % нафти і 17 % газу зосереджено на Середньому Сході. Великий потенціал вугілля, газу й нафти має Північна Америка. Ці три регіони володіють майже 70 % розвіданих світових запасів викопного палива. Ще не повністю оцінені великі поля родовищ нафти й газу, розташовані в районах континентального шельфу морів Північної півкулі.

Друге місце за значенням в енергоресурсах техносфери посідає ядерне паливо, головним джерелом якого, як уже було зазначено, є викопний уран. Як свідчать дані Світової енергетичної конференції, загальні геологічні рудні запаси урану становлять 20,4 млн т, у т. ч. розвідані - 3,3 млн т. Вміст урану в породах більшості родовищ коливається від 0,001 до 0,03 %, тому доводиться здійснювати інтенсивне рудне збагачення. На сьогодні у світі працюють більше 440 реакторів атомних електростанцій (АЕС) із сумарною тепловою потужністю близько 1200 ГВт. Вони споживають за рік близько 60 тис. т урану і додають 10 % до загального техногенного виділення теплоти від використання невідновних енергоресурсів. Техніка термоядерного синтезу поки що не є реальним ресурсом техносфери.

У цьому ключі варто розглянути деякі аспекти розвитку ядерної атомної енергетики. Як відомо, за часів Радянського Союзу на його території ядерні реактори будували лише для виробництва плутонію для ядерної зброї. Водночас вони виділяли багато тепла, але його не використовували. Коли подібних "військових" реакторів спорудили вже достатньо, радянські вчені отримали дозвіл на створення реакторів, які б, окрім плутонію, могли виробляти й електричну енергію.

Якщо у США та інших розвинених країнах стихійний ринок примусив виробників шукати кращий і безпечніший варіант енергетичного реактора, то у Радянському Союзі використання "мирного атома" розпочалося з пристосування реакторів підводних човнів до умов атомних електростанцій. Цей тип реактора в СРСР називали "канальним", а за кордоном - "радянським". Усі закордонні ядерні реактори мали дві або три лінії захисту, завданням яких було виключити можливість проникнення у довкілля радіонуклідів у випадку пошкодження або аварії реактора. Ці захисні споруди мали зовні вигляд великого залізобетонного циліндра, тому називались "корпусними реакторами".

Цікавий факт, що за кордон СРСР продавав "канальні" реактори з не дуже міцним, але з укриттям, а от на власній території з міркувань здешевлення та прискорення будівництва АЕС його не використовували. Корпусні реактори так і не були масово застосовані в СРСР з таких причин: простим збільшенням кількості каналів "радянський" реактор можна було зробити найпотужнішим (а одночасно і найнебезпечнішим) у світі, а здатні до виробництва корпусних реакторів заводи були перевантажені виробництвом зброї.

Незважаючи на все це, треба сказати і про деякі переваги ядерної енергетики. Як відомо, основний процес сучасних АЕС - кероване розщеплення, за якого енергія повільно вивільняється у вигляді тепла. Тепло використовується для кип'ятіння води і отримання пару, що приводить у дію звичайні генератори. Якщо порівняти роботу теплоелектростанції (ТЕС) та АЕС однакової потужності (наприклад, 1000 МВт) протягом року, то виявляться такі розбіжності:

- потреби у пальному: для ТЕС необхідно 3,5 млн т вугілля; для АЕС - 1,5 т збагаченого урану, що відповідає 1 тис. т уранової руди;

- виділення вуглекислого газу: у результаті роботи вугільної ТЕС до атмосфери надходить більше 10 млн м3 вуглекислого газу. АЕС взагалі вуглекислого газу не виділяє;

- двоокис сірки та інші компоненти кислотних дощів: викиди цих сполук на ТЕС становлять більш ніж 400 тис. т; на АЕС вони взагалі не утворюються;

- тверді відходи: радіоактивні відходи на АЕС становлять близько 2 т, а на ТЕС утворюються майже 100 тис. т золи.

Найголовнішими проблемами ядерної енергетики є радіоактивні відходи та ймовірність аварій на АЕС.

Прогнозувати ресурси викопного палива доволі складно через надто непевні передбачення щодо темпів розвідування і збільшення витрат енергії. Якщо взяти за основу дані російського академіка Є.П. Веліхова (1999) про розвідані обсяги вугілля, нафти і газу і прогнозовані витрати на 2020 p., то запасів газу мало б вистачити ще на чверть століття, нафти - на 40 років, а вугілля - на 175 років.

Таким чином, людство поставлене перед необхідністю шукати нові джерела добування енергії. Інша потреба у такому пошуці - більшість енергії нині одержується із джерел і за технологіями, які забруднюють навколишнє середовище. Коли країнам забракло власних запасів енергоносіїв і вони почали експортувати їх, важливим чинником стали політичні важелі. Нарешті, концентрація промисловості і різке погіршення умов проживання населення внаслідок забруднення довкілля значно посилили вагомість екологічних факторів. Саме вони стають вирішальними у пошуках нових енергетичних технологій.

Атомна енергетика, на яку покладали великі надії, вже друге десятиліття не може вийти з кризового стану. Після Чорнобильської катастрофи завдяки потужним зусиллям фахівців АЕС стали достатньо безпечними і надійними, що нині є головною запорукою функціонування атомної енергетики. З іншого боку, ретельне дотримання правил експлуатації дає змогу атомній енергетиці відповідати нормативним вимогам щодо охорони довкілля. Моніторинг свідчить, що у районах, прилеглих до АЕС, радіаційний фон не перевищує природних величин. За екологічними показниками урановий паливний цикл може бути прирівняний до циклу газових електростанцій, він суттєво нижчий за цикл на мазуті, а тим більше за цикл на вугіллі. АЕС не прив'язана до паливних джерел, тобто витрати на транспортування уранових паливних елементів не становлять суттєвої частки у загальній собівартості отриманої енергії.

Проте, крім потенційної аварійності, у "чорному списку" атомної енергетики є й кілька інших "записів". Це, наприклад, питання утилізації радіоактивних відходів, нагромадження яких триває. Енергоблоки, що працюють нині на АЕС, старіють, наближаються терміни їх виведення з експлуатації. І хоча сьогодні у світовій практиці обґрунтовується подовження строку експлуатації енергоблоків першого покоління до 40 років, а другого покоління - до 50 років, ядерна енергетика втратила свою перевагу у прогностичних оцінках нових генеруючих потужностей у більшості країн, внесених до звіту Агентства з атомної енергії (ОЕСР) та Міжнародного енергетичного агентства (МЕА). Виробництво електроенергії на АЕС вже не є абсолютно вигідним, як це було ще десять років тому. Дедалі більше посилюється рух за абсолютну відмову від АЕС. На політичному рівні такі рішення прийняті вже у Швеції та Німеччині. Нарешті, навіть за найоптимістичнішими прогнозами при нинішній технології повільних нейтронів наявних запасів урану вистачить не більше, ніж на 100 років. Цим пояснюється стагнація у розвитку атомної енергетики в останньому десятилітті. Лише у двох країнах частка електроенергії, яку отримують на АЕС, перевищує 75 % (Литва і Франція), ще у 10 країнах (Швеція, Україна, Словаччина, Болгарія, Корея, Швейцарія, Словенія, Японія, Угорщина та Іспанія) ця частка перевищує 30 %.

Найбільш чистою галуззю енергетики вважається гідроенергетика, оскільки у процесі роботи гідроелектростанцій (ГЕС) не забруднюється довкілля. До того ж гідроелектроенергія є однією з найдешевших. Це надзвичайно важливий компонент енергосистем, тому що він дозволяє завдяки переривчастому режиму роботи гідроелектростанцій гасити пікові навантаження в енергосистемі. Водночас резерви екологічно доцільного потенціалу гідроенергії у провідних країнах вважаються практично вичерпаними. Не слід також забувати, що будівництво ГЕС завжди пов'язано з більшим чи меншим втручанням у навколишнє середовище і необхідністю використання значних обсягів металу, цементу тощо, виробництво яких також негативно впливає на довкілля.

Отже, основою електроенергетики світу поки що є теплова енергетика, тобто ТЕС, у яких використовується органічне паливо (вугілля, мазут, природний газ). Нові розробки щодо підвищення економічності та безпеки ТЕС для довкілля спрямовані як на покращення технічних показників топок, застосування киплячого шару тощо, так і на використання комбінованого паро-газового циклу, що дає можливість суттєво підвищити ККД. Використання газу дозволяє значно зменшити кількість небезпечних викидів у навколишнє середовище, однак внаслідок обмеженості ресурсів та інших причин газ спалюють переважно у години пікових навантажень.

Неможливість відмовитися від спалювання на ТЕС вугілля, яке є найбільшим забруднювачем довкілля, може бути компенсована застосуванням нових технологій газифікації вугілля. Широкому впровадженню останніх заважають високі витрати капіталу. У розвинутих країнах застосовується практика комбінованого використання різних типів палива. Перша комерційна парогазова установка з прямоточним котлом-утилізатором була введена в експлуатацію у 2000 р. на ТЕС. Вона розрахована на спалювання зрідженого природного газу і приблизно на 40 % економічніша за інші, має нижчі викиди С02 і концентрацію оксидів азоту у газах завдяки денітрифікаційній станції. Тоді як головною тенденцією енергетики провідних країн світу є перехід на парогазові турбіни, що працюють на газі, поступове падіння частки вугілля стало головною проблемою енергетиків. Але і американські, і європейські спеціалісти розуміють, що тривале забезпечення їхніх країн електроенергією має базуватися на використанні вугілля, запаси якого суттєво перевищують запаси природного газу.

Таким чином, статус-кво, що склався останнім часом між основними постачальниками енергоносіїв, не може бути тривалим, оскільки потреби в енергії зростають, передусім за рахунок країн, що розвиваються. Гідроенергетичні ресурси обмежені. Широко впроваджена атомна технологія не має підтримки у населення, а також використовує уран, ресурси якого обмежені. Проблема обмежених ресурсів викопного органічного палива ще гостріша, тому що найбільш цінне енергетичне джерело - газ - має вичерпатись у першу чергу. З іншого боку, використання органічного палива спричинює значні викиди у довкілля як С02 (небезпека глобального потепління), так і токсичних SO2 і NOх, а також пилу. Це і є головні причини виникнення глобальної енергетичної кризи.

Увесь світ сьогодні шукає шляхи виходу із цієї енергетичної кризи, тобто інші джерела одержання енергії, а також розробляє новітні технології використання джерел традиційних.