книги / Стратегия устойчивого развития
..pdfв пересчете на гектар пахотных земель. В ряде стран, где имеется дефицит свободныхпахотныхземель, плантации«энергоемких» культуррасширяютзасчетвырубки лесов. Для интенсификации выращивания масличных культур, которые чаще всего возделывают ввиде«монокультуры», необходимо дляполучения устойчивых урожаев применять минеральные удобрения и химические средства защиты растений, что приводит к загрязнению почв.
По мнению отдельных специалистов, массовый переход на биотопливо грозит нетолькопостепеннымуничтожениемтропическихлесовиз-засниженияземельных площадей под злаковые культуры. Подорожание продуктов питания является следствием высокого роста цен на злаковые культуры, которые используют как фуражное зерно, что, в свою очередь, ведет к росту цен на молочные продукты и продукцию птицеводства и животноводства.
Важным недостатком активного внедрения в жизнь биотоплива может быть сокращение инвестиций в нефтедобычу и, как следствие, резкое повышение цен на нефтепродукты. С учетом всех этих обстоятельств массовое производство биотоплива рискует оказаться экономически малоэффективным [53, 54, 56].
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что несмотря на очевидные преимущества биотоплива, получаемого из растительного сырья, оно имеет ряд весьма существенных недостатков как экономического, так и социального характера в силу возможноговлияниянаизменениеструктурыземлепользования, сокращенияплощадей, занятых тропическими лесами, изменения структуры экспорта традиционных углеводородных энергоносителей и многих других условий жизни современного общества.
Это определяет целесообразность более полно рассмотреть перспективы производства биодизеля и биоэтанола в России.
Перспективы производства биодизельного топлива в России
Россия имеет все возможности для выработки растительных масел с целью производства и экспорта биодизельного топлива. В 2000 году в стране было произведено более 4 млн т растительных масел. Основными продуцентами растительных масел у нас являются подсолнечник, лен, горчица, в меньших количествах – кукуруза, соя, рапс. Среди них ведущее место занимает подсолнечник. Очень перспективно для России расширение посевов льна в средней полосе (традиционное российское производство льна) с получением льняного волокна и семян для отжима масла, а также подсолнечника, сои и рапса в южных регионах.
ВРоссии производство масличных культур традиционно обладает высокими конкурентными преимуществами. В производстве подсолнечника наша страна занимает лидирующие позиции в мире – за последние пять лет его производство возросло на 64 % и составило 6,4 млн т. К сожалению, дальнейшее расширение посевов под данной культурой невозможно без нарушения сложившегося севооборота.
Вэтой связи экономически наиболее выгодной культурой является получивший распространение в Европе рапс.
261
Благодаря предпринятым в 2005–2006 годах Минсельхозом России мерам производстворапсавРоссиив2006 годуувеличилосьв2 раза – до500 тыс. т. Рапсовое масло отечественного производства конкурентоспособно по цене на рынке стран ЕС по причине более низких издержек на его производство.
В отличие от подсолнечника, рапс является хорошим предшественником для большинства сельскохозяйственных культур. Его посевы к 2012 году могут быть размещены на площади до 2,25 млн га, что позволит при средней урожайности в 20 ц/га собиратьдо4,5 млнтрапсаипроизводить1,575 млнтрапсовогомасла, или1,35 млнт биодизельного топлива.
Планы резкого увеличения посевных площадей под рапсом, а также строительства заводов по производству биодизеля активно обсуждаются в Нижегородской, Липецкой, Орловской, Волгоградской, Ростовской областях, Татарстане и других регионах. Помимо обеспечения устойчивого сбыта сельскохозяйственной продукции выращивание рапса может стать альтернативным вариантом снабжения села горючим. Заняв одну десятую своих посевных площадей этой культурой, начав использовать вырабатываемый из нее биодизель, можно в два раза снизить затраты на дизельное топливо.
Вместе с тем, есть ряд сложных проблем, которые необходимо учитывать при планировании резкого увеличения посевных площадей для выращивания рапса. Одной из этих проблем является чисто агротехническая – рапс растить сложно, он чувствителен к погодным условиям. При низкой культуре производства, недостаточном внесении удобрений и средств защиты растений нельзя получить устойчивые урожаи этой культуры.
Второй не менее важной проблемой является ненадежность работы российских двигателей при использовании биодизеля, особенно зимой.
Тем не менее, за 2006 год посевные площади рапса в нашей стране увеличились с 270 до 460 тыс. га. При поддержке государственных отечественных производите- лейможнозанескольколетдовестипосевырапсадо4–5 млнга, чтопозволитРоссии занять заметное место на этом стремительно развивающемся рынке [57, 61].
Перспективы производства биоэтанола
Экспорт транспортного этанола также может стать в перспективе серьезным источником валюты и экологически чистым энергетическим товаром России на международном топливном рынке. В 2002 году в России было произведено 1,31 млн м3 этанолаизпищевогосырья, производствосинтетическогоэтаноласоставило0,15 млнм3, технического гидролизногоэтанола – 0,044 млнм3. Россиярасполагает мощностями, применяющими гидролизные технологии и позволяющими выработать до 0,2 млн т гидролизного спирта. Однако гидролизные технологии, основанные на использование серной кислоты, являются экологически вредными. Необходимо разрабатывать современные экологически чистые технологии эффективного разложения древесины на целлюлозу (полимер глюкозы) и лигнин.
ОбеспечитьпроизводствоэтанолавРоссиимогутидругиевидысырья, такиекак меласса (отходы сахарного производства), картофельный крахмал и сладкое сорго.
262
Объем производства мелассы в 2004 году равнялся 1,1 млн т. Из 100 кг мелассы можно получить 30 л этанола, или из 1,1 млн т – 330 000 м3 стоимостью 99 млн долларов США. В качестве сырья для получения этанола можно использовать также свекловичный жом, объем производства которого в 2003 году был 17,4 млн т. Из этого количества жома можно получить 380 тыс. м3 этанола на сумму 114 млн долларов. Таким образом, общий выход этанола из отходов производства сахара может составить 710 тыс. м3 на общую сумму 213 млн долларов. Если для производства этанола использовать непосредственно сахарную свеклу, урожай которой в 2003 году в России составил 21,7 млн т, то при содержании сахара в ней 16 % выход этанола мог бы равняться 1,7 млн м3 на сумму 510 млн долларов.
Вторым сырьевым источником крахмала для производства этанола в России является картофель, из 1 т которого получается до 60 л этанола. При урожае картофеля в 36,6 млн т (данные на 2004 год) потенциальный объем этанола – 2,2 млн м3 на сумму 60 млн долларов. Картофель – культура широко распространенная в регионах рискованного земледелия России. Выращивание его для технических целей, например для производства этанола, может оказать существенное влияние на подъем экономики в этих регионах. Чтобы выйти на уровень его современного производства в США, России нужно засевать картофелем до 15 млн га.
Сладкое сорго – еще один вид потенциального сырья для производства этанола в России. Оно культивируется на Северном Кавказе, Дальнем Востоке и в Поволжье. Урожай сладкого сорго – 20–30 т/га. Из 1 т/массы сорго получают 800–850 л сока
ссодержанием 20 % углеводов или 80 л этанола, т. е. с 1 га – 2 м3 этанола на сумму 600 долларов. Перспектива развития производства транспортного этанола в России
споследующим его экспортом достаточно оптимистична. Но совершенно очевидно, что основным сырьем для производства этанола в нашей стране должна стать древесина, что требует создания современных технологий ее разложения на лигнин и целлюлозу [52, 58, 61].
ГЛАВА 20. ЯДЕРНАЯ И ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Ядерная энергетика является одной из наиболее интенсивно развивающихся отраслей энергетики, которая по своим техническим возможностям, материальносырьевым ресурсам и экономической доступности способна уже в ближайшие десятилетия стать, наряду с традиционной углеводородной энергетикой, основой производства тепловой и электрической энергии на планете.
При общей решенности технических задач и экономических вопросов, до последнего времени остаются весьма актуальными и вызывающими опасения у населения две проблемы, связанные с эксплуатацией существующих и строительством новых ядерно-энергетических объектов, в частности АЭС: вероятность тяжелых аварий с выходом радиоактивных загрязняющих веществ в окружающую среду; вопросы обращения с радиоактивными отходами (РАО).
Особую озабоченность вызывают вопросы обращения с РАО: утилизация и захоронение неутилизируемых компонентов отработанного топлива, захоронение выработавших свой ресурс элементов реакторов, другого оборудования и инфраструктуры АЭС, содержащих радиоактивные материалы с различными, в том числе и длительными процессами распада.
Развитиемирнойядернойэнергетикиначалось в1954 годуспускомвСССРпервой атомной электростанции (АЭС) в г. Обнинске. Ее мощность была всего 5 МВт, но за ней последовало сооружение более мощных АЭС во всем мире [16].
До этого энергия атомного ядра использовалась преимущественно в военных целях. Пуск первой АЭС ознаменовал открытие нового направления в энергетике, получившего признание на 1-й Международной научно-технической конференции по мирному использованию атомной энергии (август 1955, Женева) [62].
За рубежом первая АЭС промышленного назначения мощностью 46 МВт была введена в эксплуатацию в 1956 году в Колдер-Холле (Англия).
К 1980-м годам в мире насчитывалось около 300 действующих ядерных реакторов общей установленной мощностью около 200 ГВт. Атомная энергетика производила около 10 % общемирового количества электроэнергии. Таким образом, всего за четверть века мощность АЭС возросла от 5 до 200 000 МВт.
Ужев1986 годувыработкаэлектроэнергиинаАЭСмирадостигала15% отобщего количестваэнергии, производимойвсемиэлектростанциями, аврядестранеедолясоставила 30% (Швеция, Швейцария), 50% (Бельгия) и даже 65–70% (Франция). Достаточно успешно атомная энергетика развивалась и на территории бывшего Советского Союза: строились АЭС, наращивалась минерально-сырьевая урановая база.
Доля атомной энергетики в общем объеме производимой в мире электроэнергии за период с 1990 по 2002 год увеличилась с 16 до 18 %.
С1990 по 2002 год доля атомной энергии в общей выработке электроэнергии
вСША осталась на прежнем уровне – 20 %, во Франции увеличилась с 74 до 78 %,
вЯпонии увеличилась с 27 до 34 %, в Германии снизилась с 33 до 28 %, в России увеличилась с 11 до 16 %.
Под влиянием различных причин многие страны пересматривают свое отношение к строительству атомных электростанций.
264
Кпервой группе относятся страны, которые отказались от развития атомной энергетики вследствие политических причин: Австрия, Греция, Дания, Ирландия, Норвегия, Италия, Германия, Швеция, Бельгия, Нидерланды и др.
Ко второй группе относят те страны, которые продолжают развивать атомную энергетику и осуществлять широкомасштабные атомно-энергетические программы: США, Россия, Япония, Китай, Республика Корея, Индия, Иран.
Ктретьей группе относятся страны, которые модернизируют имеющиеся АЭС, продлевают их работу.
На2006 годнадолюСША, ФранциииЯпонииприходилось49 % всехАЭСмира
и57 % всей «ядерной» электроэнергии.
Впервую пятерку государств, которые большую часть своих потребностей
вэлектроэнергии удовлетворяют за счет АЭС, входят Литва (80 %), Франция (76 %), Словакия (57 %), Бельгия (55 %) и Швеция (50 %).
Институт энергии и экологических исследований (Institute for Energy and Environmental Research) подсчитал, что если человечество откажется от использования нефти и газа в качестве топлива для получения электроэнергии, то к 2050 году потребуется построить от 1 до 2 тыс. новых АЭС [72].
ВРоссии в 2006 году функционировало 10 атомных станций, основная часть которых расположена в европейской части страны. Действующие энергоблоки поставляют для внутреннего и внешнего рынка около 17 % от общего объема всей производимой в России энергии.
Действующие мощности АЭС являются системообразующими в европейской части России с долей поставки электроэнергии в Федеральный оптовый рынок электрической энергии и мощности 41 % [77].
Динамика выработки электроэнергии на АЭС с 1997 года и в перспективе до 2010 года представлена на рис. 20.1. Как видно из графика, объем производства энергии постепенно увеличивается.
Энергетическая стратегия России на период до 2020 года, утвержденная распоряжением Правительства Российской Федерации от 28.08.2003 № 1234-р, предусматривает увеличение выработки электроэнергии на атомных и гидроэлектростан-
циях (с 10,8 до 12 %).
Воптимистическом варианте развития экономики энерговыработка АЭС должна возрасти до 200 млрд кВт·ч в 2010 году (в 1,4 раза) и до 300 млрд кВт·ч
в2020 году (в 2 раза). Кроме того, предусматривается развитие производства тепловой энергии от атомных энергоисточников до 30 млн Гкал в год.
При умеренном варианте развития экономики потребность в производстве электроэнергиинаатомныхстанцияхможетсоставитьв2020 годудо230 млрдкВт·ч. Возможность увеличения производства энергии на атомных станциях до 270 млрд кВт·ч связана с созданием энергокомплексов АЭС – ГАЭС, повышением объемов производства и потребления тепловой энергии в районах размещения действующих и новых АЭС и АТЭЦ (до 30 млн Гкал в год), а также с переводом газоперекачивающих станциймагистральныхтрубопроводовнаэлектроприводотАЭС, развитиемэнергоемких производств (алюминий, сжиженный газ, синтетическое жидкое топливо и др.).
265
Рис. 20.1. Объем производства электроэнергии на действующих и новых АЭС РФ |
Атомно-энергетический комплекс России имеет потенциал для динамичного развития в соответствии с параметрами, установленными до 2020 года.
Перспективы долгосрочного развития ядерной энергетики связаны с реальной возможностью возобновления и регенерации ядерных топливных ресурсов без потери конкурентоспособности и безопасности атомной энергетики. Отраслевая технологическая политика предусматривает эволюционное внедрение в2010–2030 годахновыхядерныхэнерготехнологийчетвертогопоколениянабыстрых реакторах с замыканием ядерного топливного цикла и уран-плутониевым топливом, чтоснимаетограничениявотношениитопливногосырьянаобозримуюперспективу. Развитие атомной энергетики позволит оптимизировать баланс топливноэнергетических ресурсов, сдержать рост стоимости электрической и тепловой энергии для потребителей, а также будет способствовать эффективному росту экономики и ВВП, наращиванию технологического потенциала для долгосрочного развития энергетики на основе безопасных и экономически эффективных атомных станций [80, 81].
В последние несколько лет в связи с быстрым ростом цен на нефть, газ и уголь, а также стремлением избавиться от зависимости от стран-поставщиков углеводородных энергоносителей, отмечается выраженная тенденция пересмотра
вряде развитых стран негативного отношения к внедрению ядерных технологий
вэнергетику.
Так, например, в Великобритании и Финляндии, которые после Чернобыльской катастрофы отказались от развития ядерной энергетики, в настоящее время правительства благоприятствуют строительству АЭС.
Не менее важным мотивом нового ренессанса развития ядерной энергетики являетсястремлениеснижениявыбросовСО2 ватмосферу. Так, в2007 годунавстрече
266
«Большой восьмерки» было принято решение о снижении выбросов углекислого газа к 2050 году по меньшей мере в два раза. По данным МАГАТЭ для этого в мире ежегодно потребуется возводить не менее 32 АЭС.
Влитературеимеютсяразличныеточкизренияоточномколичествевновьвозводящихся АЭС и планах на период до 2050 года. Так, Агентство природных ресурсов и энергетики Японии приводит следующие данные. Если после 1990 года в Индии былопостроено12 АЭС, вКитае – 11, авРоссиитолькоодна, товпериоддо2050 года Индияпланируетпостроитьеще20 АЭС, Китай – 30, аРоссия – 40. СШАпланируют построить 33 АЭС, Япония планирует уже в ближайшие годы ввести в строй 11 новых ядерных реакторов. Всего в мире запланировано возведение в следующие шесть лет (2009–2014 годы) более 100 атомных реакторов. Ряд экспертов выражают сомнение в реальности выполнения планов, так как это требует больших капитальных вложений, а также ожидаемый рост эксплуатационных расходов в связи с ростом цен на уран, которые могут вырасти минимум в 10–15 раз вне зависимости от роста цен на нефть и газ.
Физические основы ядерной и термоядерной энергетики
Известны две принципиальные возможности получения ядерной энергии: в реакциях деления и синтеза. Контролируемая и управляемая цепная реакция деления тяжелых ядер под действием нейтронов лежит в основе работы ядерного реактора. В практике используется получение в энергетических реакторах тепловой энергии от деления ядер235U на ядра бария и криптона. При полном делении 1 кг 235U выделяется 8·1013 Дж, что эквивалентно энергии, содержащейся в 3000 т угля.
ПолучениеядернойэнергиинаАЭСстановитсявозможнымврезультатеядерноэнергетического цикла, который включает в себя добычу, обогащение урановых руд, производство концентрированного ядерного топлива на базе 235U, его использование вреакторахдляполучениятеплаипроизводстваэлектроэнергии, инфраструктурыдля
Рис. 20.2. Этапы ядерного топливного цикла |
267
утилизации и захоронения неутилизируемых радиоактивных и иных отходов. Этапы ядерного
топливного цикла показаны на рис. 20.2.
Процесс получения энергии происходит на атомных электрический станциях. В настоящее время нет промышленных методов прямого преобразования кинетической энергии осколков деления в электрическую. Поэтому в современных
АЭС энергию деления ядер используют для нагрева теплоносителя (газ, вода, жидкий металл), который направляют в парогенератор. Остальная часть оборудования АЭС – это обычная неядерная теплосиловаясхемастрадиционнымрабочимтелом, которым является водяной пар (рис. 20.3) [66].
Основным процессом в получении энергии на АЭС является цепная ядерная реакция, которая
происходит в ядерном реакторе.
АЭС состоит из следующих элементов: реакторного отделения с реакторами и обслуживающими их системами; машинного зала с турбогенераторами; электрохозяйства; деаэраторной; систем питательной и охлаждающей
воды; системхимводоочистки; дизельгенераторных установок для аварийного энергоснабжения; участковдляхраненияипереработкирадиоактивных отходов и хранилищ отработанного топлива; вспомогательныхибытовыхпомещений; высотных труб для рассеивания пыле-газовых выбросов.
Основным элементом АЭС является реакторное отделение, где устанавливаются реакторы. В основе работы ядерного реактора лежит контролируемая и самоуправляющаяся цепная реакция деления тяжелых ядер под действием нейтронов.
Поспособуосуществленияцепнойреакцииделениявсереакторыподразделяются нареакторынатепловыхнейтронах(ВВЭР, РБМК) иреакторынабыстрыхнейтронах, быстрые реакторы (БН).
НаиболеечастонаАЭСприменяются4 типареакторовнатепловыхнейтронах: 1) водо-водяные с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя; 2) графитоводные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем; 3) тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжелой водой в качестве замедлителя; 4) графитогазовые с газовым теплоносителем и графитовым замедлителем.
Основная часть любого ядерного реактора – активная зона, образуемая загруженным ядерным топливом в виде термовыделяющих элементов (ТВЭЛов).
268
Внейпротекаетцепнаяреакцияделения. Тепло, выделяющеесявТВЭЛах, отводится теплоносителем, непрерывно циркулирующим через активную зону.
Важная часть реактора – система управления и защиты реактора (СУЗ), с помощью которой осуществляется управление работой реактора, включая его запуск и выключение (в том числе аварийное), и регулирование мощности на различных стадияхегоработы. КСУЗотносятсятакжеспециальныестержни, которыесодержат вещества, сильно поглощающие нейтроны (бор, кадмий и др.). Ввод этих стержней
вканалы СУЗ активной зоны приводит к прекращению цепной реакции деления, а запуск реакции и управление ее интенсивностью осуществляют частичным или полным выводом стержней СУЗ [65].
Новые поколения ядерных реакторов, в том числе и производимых в России, обладают повышенной внутренней безопасностью. Практика эксплуатации АЭС
вобычных режимах (вне крупномасштабных аварий), по оценкам независимых экспертов, позволяет утверждать, что они экологически чище тепловых электростанций (ГЭС), работающих на углеводородном топливе.
По сравнению с реакцией деления тяжелых ядер термоядерный синтез, в виде слияния легких ядер (например, ядер дейтерия с ядрами трития) может дать неизмеримо большее количество энергии.
Впервыесхемамагнитноготермоядерногореакторабылапредложенав1950 году А. Д. Сахаровым и И. Е. Таммом.
В1954 году в Институте атомной энергии был построен первый токамак.
В1991 году впервые была достигнута мощность термоядерной реакции в 1 МВт на современном токамаке – JET (Joint European Torus).
В1998годубылзаконченинженерныйпроекттокамак-реактораITER(International Thermonuclear Experimental Reactor). Работы проводились совместными усилиями четырех сторон: Европы, России, США и Японии. Целью данного проекта является создание первого экспериментального реактора, рассчитанного на достижение долговременного горения смеси дейтерия с тритием [77].
Вавгусте 2001 года была утверждена Федеральная целевая программа «Международный термоядерный реактор ITER» [10].
На 2010–2015 годы планируется завершить строительство токамак-реакто- ра ITER с полной мощностью термоядерных реакций не менее 1 ГВт при времени непрерывного горения плазмы десятки минут.
Токамак представляет собой тор, на который намотан проводник, образующий магнитное поле (рис. 20.4). Основное магнитное поле в камере-ловушке, содержащей горячую плазму, создается тороидальными магнитными катушками. Существенную роль в удержании плазмы играет плазменный ток, который протекает вдоль кругового плазменного шнура и создает полоидальное магнитное поле. Ток в плазме поддерживается вихревым электрическим полем, создаваемым первичной обмоткой индуктора. При этом плазменный шнур играет роль вторичной обмотки [77].
Реакция слияния ядер реализуется за счет энергии теплового движения, позволяющей атомным ядрам преодолеть силу кулоновского отталкивания и сблизиться
269
Рис. 20.4. Термоядерный реактор типа «Токамак» [78]
настолько, что начинают действовать силы ядерного притяжения. Поэтому для запуска термоядерной реакции надо нагреть необходимые компоненты и удержать их вместе, не дав им разлететься из-за огромного давления и скорости теплового движения. При 100 млн градусов, необходимых для начала реакции, электроны отрываются от ядер и вещество переходит в состояние плазмы. При таких температурах испарится любой материал, поэтому плазму в вакууме удерживают внутри реактора с помощью магнитного поля очень высокой напряженности. Поле не дает заряженным частицам вылетать за пределы «плазменного шнура», а образующиеся во время реакции нейтроны магнитным полем не задерживаются и передают свою энергию стенкамустановки, которыенагреваютсязасчеттепловогоизлученияплазмыиохлаждаются, например, жидким литием. Получающийся в парогенераторах пар можно направить на турбину, как в обычных электростанциях.
Термоядерный реактор способен использовать дейтерий, который может добываться из морской воды, где он содержится в больших количествах. Тритий может производиться в реакторе из лития, запасов которого на планете хватит на многие тысячи лет. Само термоядерное топливо и гелий, получаемый в процессе синтеза, не радиоактивны. В процессе протекания реакции синтеза возникает радиоактивность внутренних стенок реактора из-за активации их нейтронами. Специальные конструкционныематериалы, используемыедлясооруженияреакторов, теряютсвою радиоактивность через 30–50 лет. Отработавший свой срок реактор может быть законсервирован, азатем, послепотерирадиоактивности, егоматериалыдолжныпройти стадию механической переработки и могут использоваться в новых реакторах или по другому, безопасному в экологическом отношении направлению [71].
Термоядерный реактор надежнее ядерного. Для отбора обычной для современных крупных АЭС мощности требуется всего несколько граммов топлива, поэтому аварийные ситуации, подобные Чернобыльской, в принципе невозможны.
270