Энергетика в современном мире

В.Е. ФОРТОВ, О.С. ПОПЕЛЬ

2011

ЭНЕРГЕТИКА  
В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ

В.Е. Фортов, О.С. Попель
Энергетика в современном мире: Научное издание / В.Е. Фортов,
О.С. Попель – Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект»,
2011. – 168 с.
ISBN 9785915590952

В книге с единых позиций и в доступной форме рассматриваются современное состояние энергетики мира и России, а также некоторые наиболее актуальные научнотехнические аспекты модернизации энергетики. Рассмотрены особенности перспективных технологий производства электроэнергии из природных топлив, гидроэнергетики, ядерной энергетики, «водородной» энергетики,
использования возобновляемых источников энергии. Анализируются проблемы аккумулирования электрической энергии и достижения в этой области, разработки интеллектуальных сетей (smart grid), рассматриваются возможности
повышения эффективности систем теплоснабжения, в том числе с использованием тепловых насосов, экологические аспекты энергетики.
Книга содержит большое количество иллюстративного материала.
Для студентов и преподавателей инженернофизических и энергетических
факультетов, научных работников и разработчиков, специалистовэнергетиков.
Доходчивое изложение перечисленных выше вопросов делает книгу также доступной и интересной для широкого круга читателей.

ISBN 9785915590952
© 2011, В.Е. Фортов, О.С. Попель
© 2011, ООО Издательский Дом
«Интеллект», оригиналмакет,
оформление

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5

2. Этапы развития энергетики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10

3. Энергоемкость ВВП и уровень жизни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18

4. Энергетика мира и ее ресурсная база . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28

5. Особенности энергетики России . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
5.1. Ресурсы природного газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
5.2. Ресурсы нефти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
5.3. Электроэнергетика России . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
5.4. Проблемы теплоснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61

6. Научно-технические аспекты модернизации энергетики . . . . . . . . .
68
6.1. Производство электроэнергии из природных топлив . . . . . . .
68
6.1.1. Паротурбинные установки (ПТУ) . . . . . . . . . . . . . . . .
68
6.1.2. Газотурбинные установки (ГТУ) . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
6.1.3. Парогазовые установки (ПГУ) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
6.1.4. Использование на ТЭС угля . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
6.2. Гидроэнергетика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
6.3. Ядерная энергетика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
6.3.1. Термоядерный синтез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
6.4. «Водородная» энергетика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
6.4.1. Алюмо-водородная энергетика . . . . . . . . . . . . . . . . . .
100
6.4.2. Топливные элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
101
6.5. Аккумулирование электрической энергии . . . . . . . . . . . . . .
109
6.6. Интеллектуальные сети (smart grids) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
122
6.7. Производство тепла для отопления и горячего водоснабжения
126
6.7.1. Котельная или ТЭЦ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
127
6.7.2. Выбор температуры теплоносителя . . . . . . . . . . . . . . .
129
6.7.3. Роль тепловых насосов в теплоснабжении . . . . . . . . . .
130

Оглавление

7. Возобновляемые источники энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
135
7.1. Тенденции развития ВИЭ в мире . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
135
7.2. Перспективные ниши использования ВИЭ в России . . . . . .
139

8. Экологические аспекты энергетики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
156

9. Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
161

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
164

ВВЕДЕНИЕ

«Энергетика — это физика плюс экономика»

академик М. А. Стырикович

Энергия1) — одно из основных понятий современного
естествознания, которое, в свою очередь, лежит в основе энергетики — отрасли экономики и научно-технической дисциплины, изучающей законы и методы преобразования энергии и использования
различных ее видов в интересах человека.
Энергия и энергетика представляют собой базис современной и
будущей цивилизации, в связи с чем они находятся в центре внимания как специалистов, так и общественности, оказывая влияние на
направления и темпы социально-экономического развития мира, его
безопасность и международные отношения.
Вопросы энергетической безопасности стран и регионов являются
наиболее актуальными и обсуждаемыми на мировых, региональных
и национальных форумах самого высокого уровня. Эксплуатируемые
сегодня энергетические ресурсы, прежде всего, месторождения нефти
и природного газа распределены по территории земного шара весьма
неравномерно, и поэтому одни страны обеспечены ими «с избытком», другие должны их импортировать, что зачастую приводит к
экономической и политической нестабильности.
В принципе, источником энергии является любая система, не находящаяся в равновесии с окружающей средой. Это утверждение составляет прикладную сущность второго закона термодинамики.
Любая неравновесная система в природных условиях стремится с
той или иной скоростью прийти в равновесие с окружающей средой.
При этом вся потенциально полезная энергия неравновесной системы переходит в тепло при температуре окружающей среды, которое

1)Энергия — (от греч. — деятельность) в физике — общая мера различных
форм движения материи (БСЭ. — 2-е изд. — Т. 49).

1. Введение

на основании второго закона термодинамики не может быть далее
преобразовано в полезные для человека виды энергии.
Большинство неравновесностей, существующих в природе, имеет своей первопричиной солнечное излучение. Поэтому многие используемые человеком природные источники энергии представляют
собой прямую или преобразованную энергию солнечного излучения.
Первичные источники энергии солнечного происхождения — это
либо потенциальная (химическая) энергия, запасенная углем, нефтью,
природным газом, торфом, растущей сегодня разнообразной растительностью, либо кинетическая энергия потоков воды и воздуха (ветер), разность температур в толще воды океанов или разность температур между водой и воздухом, разность соленостей пресной и морской воды и т. п.
Имеется также ряд первичных источников энергии «несолнечного» происхождения. Это — энергия приливов, создаваемая гравитационным взаимодействием Земли, Луны и Солнца. Это — геотермальная энергия, проявляющаяся в том, что в толще земли имеются
сухие породы или жидкие флюиды, температура которых выше температуры на поверхности.
Немаловажное значение имеют и так называемые, вторичные источники энергии — всевозможные отходы: промышленные, бытовые,
сельскохозяйственные.
Двадцатый век даровал человечеству еще один мощный источник
энергии, не связанный с солнечным излучением, — энергию деления ядер, возникающую в связи с частичным преобразованием массы
нуклидов в энергию.
Энергию ядерного синтеза пока удалось использовать только в
военных целях, хотя исследования и разработки, направленные на ее
применение в энергетике, активно продолжаются во многих странах
мира и на основе международных проектов.
Задача энергетики состоит в том, чтобы с помощью тех или иных
технических устройств, преобразовать энергию неравновесной системы в необходимые формы энергии до того как она превратилась в
тепло при температуре окружающей среды.
Практически все стороны жизни человека связаны с потреблением того или иного количества энергии. Обеспечение пищей, одеждой, строительство, поддержание в жилищах комфортных условий,
транспорт грузов и перемещение людей, производство различных материалов, связь и обмен информацией — все это примеры сфер деятельности, требующих существенных затрат энергии.
Следует, однако, подчеркнуть, что понятие «потребление» применительно к энергии нужно понимать условно. В действительности, в

1. Введение
7

любом процессе энергия не расходуется, а лишь переходит из одной
формы в другую (преобразуется). Именно при этом переходе производится работа (электроэнергия, механическая энергия), создаются
новые материалы, или производится тепло при температуре отличной
от температуры окружающей среды. «Использованная» для тех или
иных целей энергия, в конечном счете, превращается в тепло при
температуре окружающей среды, не имеющее для нас какой-либо
практической ценности.
Тем не менее, в энергетике традиционно применяются два ключевых понятия: производство энергии и потребление энергии. Под производством понимается использование первичных источников энергии
для получения необходимых потребителю видов энергии: механической энергии, электроэнергии, тепла того или иного температурного
потенциала, холода и их преобразование в промежуточные энергоносители — моторные, котельно-печные топлива, горячую воду и пар,
водород и пр.
Первичные источники энергии являются основой энергетики. В арсенале энергетики имеется большой набор первичных природных источников энергии, причем они разделяются на невозобновляемые, запасенные планетой в течение миллионов лет в виде угля, горючих
сланцев, нефти, природного газа, торфа, темпы потребления которых
существенно превышают темпы их естественного воспроизводства, и
возобновляемые источники энергии (ВИЭ), связанные, прежде всего,
с текущим поступлением потока солнечной энергии, который создает
в окружающей среде ту или иную неравновесность.
Важнейшей составляющей современной энергетики стала электроэнергетика. Электроэнергия является удобным для использования
энергоносителем, однако в отличие от других промежуточных энергоносителей, энергия которых запасается в виде химической энергии, ее пока не удается хранить в больших количествах и достаточно
длительное время. Поэтому в каждый момент времени производство
электрической энергии за вычетом затрат на транспорт и распределение и потерь должно строго равняться ее потреблению. Это ставит
задачу разработки методов и средств оптимального управления производством, транспортом, распределением и потреблением электроэнергии и применения соответствующих «интеллектуальных» систем.
В начале ХХI в. мировое потребление энергии превысило 500 ЭДж/год
(1 ЭДж = 1018 Дж) или около 12 млрд т н. э.2). По различным прогнозам к 2020 г. энергопотребление возрастет более чем в полтора раза,

2)1 ЭДж (Эксаджоуль) — энергетическая единица, соответствующая 23,9 млн т
нефтяного эквивалента (т н. э.).

1. Введение

в первую очередь, из-за роста потребления энергии развивающимися
странами.
Принято считать, что энерговооруженность страны, выражаемая
в годовом потреблении энергии на душу населения, коррелирует с
уровнем ее развития. Сегодня этот критерий для разных стран различается более чем в 20 раз.
Ясно, что стремление непрерывно наращивать энергопотребление
рано или поздно войдет в противоречие с наличием первичных источников энергии и затратами на их добычу, но, что особенно важно, приведет к необратимым вредным воздействиям на окружающую среду.
Особую остроту энергетические проблемы приобрели в последнее
время в связи с мощными процессами глобализации мировой экономики, озабоченностью общества отрицательным воздействием систем
энергетики на окружающую среду, истощением в перспективе недорогих традиционных энергоисточников планеты, ставящими под угрозу возможности устойчивого развития человеческой цивилизации.
Для постперестроечной России к этим проблемам добавляются
сложности перехода энергетического сектора на рыночные механизмы функционирования, недостаток инвестиций для модернизации
и обновления морально и физически изношенного энергетического
оборудования, проблемы надежности теплоснабжения, особенно острые для нашей страны.
По этим причинам основные вопросы современного состояния и
перспективного развития энергетики России являются крайне важными, а подчас болезненными, и привлекают все большее внимание
широких слоев нашего общества. При этом при обсуждении этих
вопросов зачастую используются аргументы и формулируются предложения, основанные на противоречивых исходных данных о состоянии, возможностях и путях развития энергетики страны.
Укрупненно, на современном этапе перед энергетикой стоят две
основные задачи:
• совершенствовать производство энергии, т. е. наиболее эффективно производить требуемое количество необходимых энергоносителей из первичных источников энергии. При этом «наиболее эффективно» означает не просто с минимальными энергетическими потерями, а с минимальными затратами на единицу произведенной энергии с учетом всей цепочки преобразования энергии,
включая ее «экологическую стоимость»;
• совершенствовать потребление энергии, т. е. наиболее эффективно использовать потребляемые энергоносители. При этом «наиболее эффективно» опять же означает получение желаемого результата при минимальных суммарных затратах.

1. Введение
9

Каждая из этих задач предполагает возможность применения широкого спектра различных технологий, отбор которых должен производиться исходя из технико-экономической эффективности, социальной значимости, влияния на окружающую среду, отвечать условиям
устойчивого развития.
Известный российский ученый-энергетик академик М. А. Стырикович дал весьма емкое и лаконичное определение современной энергетики: «Энергетика — это физика плюс экономика» [1]. Действительно, разработки новых энергетических технологий, связанные с
освоением новых или усовершенствованных физических процессов
преобразования энергии, в современном мире имеют шанс на реальное широкое практическое применение только в случае выполнения ряда критериев экономической, экологической и социальной
эффективности.
В последние годы по общим проблемам современной энергетики
опубликовано значительное число научных публикаций [2–4] и издан
ряд научно-популярных книг, среди которых выделим недавние книги академика Е. П. Велихова с соавторами «Эволюция энергетики в
XXI в.» [5] и профессора В. В. Бушуева «Энергия и эволюция» [6]. Обстоятельное исследование состояния и перспектив российской энергетики выполнено в 2007 г. коллективом авторов под руководством
академика А. Е. Шейндлина «О целевом видении стратегии развития
электроэнергетики России на период до 2030 г.» [7].
Настоящая книга является дополненным и существенно расширенным изданием опубликованной в 2004 г. книги «Энергия и энергетика» (авторы В. Е. Фортов, Э. Э. Шпильрайн) и включает в себя
новую информацию о развитии мировой энергетики и перспективах развития российской энергетики с учетом недавно утвержденной
Энергетической стратегии России на период до 2030 г. и взятого страной курса на повышение энергоэффективности экономики.
В книге сделана попытка в доступной форме и с единых позиций изложить современное состояние энергетики мира и России и
рассмотреть некоторые наиболее актуальные научно-технические аспекты модернизации энергетики, какими они видятся на ближайшие
десятилетия.
Авторы будут признательны читателям за замечания и пожелания
и учтут их в дальнейшей работе.

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ

Ускоряющееся развитие общества и глобализация экономики настоятельно требуют изучения исторических закономерностей,
а также перспектив, возможностей и стратегических приоритетов инновационного развития антропогенной энергетики, представляющей
собой совокупность средств преобразования энергии в формы, полезные для человеческой жизнедеятельности.
Оценки показывают, что на современном этапе развития антропогенная энергетика характеризуется суммарной мощностью энергоустановок составляющей всего менее двух десятитысячных мощности поступающего на Землю потока солнечного излучения и тем
самым практически неразличима в космических масштабах. Вместе
с тем эта мощность примерно в 15–20 раз превышает совокупную
мускульную мощность около 7 млрд живущих на Земле людей и, что
особенно показательно, уже достигает около 30% мощности процессов фотосинтеза (≈ 40 ТВт), обеспечивающих жизнь на Земле. Тем
самым, современная антропогенная энергетика уже оказывает определенное влияние на биосферу планеты, к сожалению, в большей
части негативное.
В доисторические времена человек через пищу поглощал 2000–
3000 ккал в день и мог рассчитывать только на свою мускульную
энергию, характеризуемую средней мощностью 100–150 Вт. С освоением огня потребление энергии в расчете на одного человека возросло примерно до 300 Вт. Вскоре люди стали заниматься примитивным
сельским хозяйством и использовать энергию животных для транспортировки полезных грузов и подъема воды. Они научились использовать солнечную энергию для сушки зерна и для изготовления строительных материалов из глины, энергию малых рек, энергию ветра.
Сегодня суммарная установленная мощность электростанций, действующих в мире, превысила 4 млрд кВт. В развитых странах, например в США, на одного человека приходятся в среднем около 3 кВт
установленной мощности электродвигателей. В России этот показа

2. Этапы развития энергетики
11

тель составляет около 1,6 кВт/чел. С учетом топливных двигателей
общая энерговооруженность каждого человека более чем удваивается.
Со времен овладения огнем человек использовал растительность,
которая накопила солнечную энергию в химической реакции фотосинтеза, идущей с поглощением из атмосферы углекислого газа и
выделением кислорода:

6СО2 + 6Н2О + hν
G
A С6Н12О6 + 6О2.

Однако это было лишь «собирательство», а антропогенная энергетика возникла тогда, когда в дополнение к тепловой энергии от биомассы люди научились получать и использовать механическую энергию. Сначала это была мускульная сила прирученных животных, живущих за счет тех же зеленых растений, а потом — энергия текущей
воды и ветра. Это открыло второй (помимо биологического: через
фотосинтез к животным) канал преобразования энергии солнечного
излучения в механическую энергию. Начиная с медного века (третье
тысячелетие до н. э.) и до заката Римской империи (IV в. н. э.) такая
энергетика устойчиво обеспечивала до 6 ГДж на человека в год в земледельческих цивилизациях и до 4,5 ГДж для остального населения
Земли, возросшего к сегодняшнему времени в десятки раз [8] (рис. 1).
Происшедшая около трехсот лет назад индустриальная революция
была вызвана открытием методов преобразования тепловой энергии
в механическую работу. Она создала третий канал преобразования
солнечной радиации в тепловую и механическую энергию — через
химическую энергию горючих ископаемых (угля, нефти и природного газа), которые запасли ее через фотосинтез в течение миллионов
лет. Этот недешевый, но огромный источник высококонцентрированной энергии разительно изменил облик мира, вызвав беспрецедентно быстрое развитие цивилизации.
Но лишь спустя полтора века, в последней четверти XIX в. химическая реакция получения энергии при сжигании ископаемых топлив

С + О2 = СО2 + 94 ккал/моль

превратилась в основной источник энергии индустриального мира
(рис. 2). А энергетическая статистика, восстановленная с 1860 г., обнаружила «длинные волны» развития мировой энергетики [8].
Первая волна длилась 70 лет, до разгара великой депрессии (1929–
1933 гг.), и увеличила мировую энергетику в 4,5 раза (рис. 2) — от 0,36
до 1,6 млрд т нефтяного эквивалента (т н. э.)3) при утроении среднего

3)1 т нефтяного эквивалента равна 44,76 ГДж, или 107 ккал.

2. Этапы развития энергетики

по миру душевого производства энергии — от 0,29 до 0,7–0,8 т н.э./чел.
(соответственно 13 и 31–36 ГДж/чел.) в год. На смену дровам и двигательной силе животных пришли уголь и работающие на нем паровые
машины, а в последней трети этой волны получили распространение двигатели внутреннего сгорания, что подорвало доминирование
угля в мировом производстве энергоресурсов (62% в 1915–1920 гг.)
из-за ускоренного роста использования нефти (рис. 3). Но еще более важным событием первой волны стал технологический прорыв
в преобразовании не только химической (гальванические элементы),
но и механической энергии в электрическую и ее передаче на большие расстояния. Этим была заложена энергетическая база не только
индустриального, но и постиндустриального общества.

Рис. 1. Изменение населения развитых и развивающихся стран (по данным
UNEP)

Вторая волна протяженностью 50 лет увеличила производство энергоресурсов еще в 4,5 раза (с 1,6 до 7,3 млрд т н. э., рис. 2) при очередном удвоении среднедушевого энергопроизводства до 1,65 т н. э.
(75 ГДж) и завершилась в конце 70-х годов нефтяным кризисом. Это
был подлинный «век моторов» и доминирования нефти в общем производстве энергоресурсов — ее доля увеличилась с 11 до 47% в 1975 г.,
но после нефтяного кризиса стала снижаться при росте доли природного газа и атомной энергии (рис. 3). Промышленное применение
первого «внесолнечного» источника энергии — деления атомов —
стало главным технологическим прорывом этого периода.