Анализ развития современной мировой энергетики.

Содержание

1	Анализ развития современной мировой энергетики	4
	Вопросы к лекции 1	10
2	Основные проблемы использования углей низкого качества на энергетических котлах и возможные пути их решения.	22
2.1	Методы использования низкотемпературной плазы при сжигании углей ухудшенного качества.	23
	Вопросы к лекции 4	28
3	Обзор современных технологий обогащения угля для решения проблем повышения качества твёрдого топлива.	29
3.1	Мокрые методы обогащения	29
3.2	Сухие методы обогащения	31
3.3	Другие способы обогащения	31
	Вопросы к лекции 5	34
4	Экономическая эффективность повышения качества угольного топлива	35
	Вопросы к лекции 6	38
5	Плазменные технологии термохимической подготовки низкосортных углей в решении проблем по повышению экономической эффективности сжигания топлива и снижению выбросов вредных газов	38
5.1	Технология термохимической подготовки пылеугольного топлива к сжиганию	39
5.2	Метод 3D- компьютерного моделирования процесса тепломассопереноса при горении термохимически активированного пылеугольного потока в объеме топочной камеры промышленного котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ.	40
	Вопросы к лекции 7	43
6	Технологии горелочных и топочных устройств в решении проблем по снижению выбросов парниковых газов при сжигании газомазутного топлива.	43
6.1	Общие вопросы снижения выбросов оксидов азота при сжигании газо-мазутных топлив.	43
6.2	Предлагаемая схема сжигания газа и мазута с горелками ВГТФ в рамках повышения экологической эффективности и надёжности сжигания природного газа.	45
	Вопросы к лекции 8	49
7	Проблемы переработки ЗШС ТЭС и котельных и перспективы их использования	49
7.1	Перспективные технологии переработки зололаковых смесей.	50
7.2	Выделение из золовых отходов ТЭС ценных компонентов	54
7.3	Преимущества выделения их зол ТЭС полых алюмосиликатных микросфер	55
7.4	Применение топливных шлаков и золы ТЭС в строительной промышленности.	56
	Вопросы к лекции 9	57
8	Технология получения магнегаза из нефтесодержащих отходов как один из путей рения проблемы утилизации жидких отходов ТЭС	57
8.1	Технологии переработки нефтесодержащих отходов ТЭС с получение альтернативного топлива магнегаза	61
	Вопросы к лекции 10	62
9	Проблемы сжигания низкосортных твёрдых топлив в котлах малой мощности.	62
9.1	Экологические проблемы	63
9.2	Исследование вопроса эффективности горения различных видов низкосортного угля на котлах длительного горения, с выявлением оптимальных режимных характеристик по мощности, экологическим и эксплуатационным показателям.	66
	Вопросы к лекции 11	69
10	Пути повышения эффективности котлов малой мощности	69
10.1	Методика определения энергетических характеристик отопительных котлов длительного горения	71
	Вопросы к лекции 12	75
	Список использованных источников	76

 

 

Анализ развития современной мировой энергетики.

 

В современном стремительно развивающемся мире обозначены главные пять проблем:

1. бедность населения;

2. изменение климата;

3. загрязнение окружающей среды;

4. рост потребления энергии;

5. истощение запасов ископаемого топлива.

 Удовлетворенность энергетическими потребностями всего мира в этом и последующих столетиях будет зависеть от стратегии, которую выбирает мировая экономическая политика. Потенциал запасов минерально-сырьевых ресурсов остается важным фактором глобальной конкурентоспособности. По уровню топливно-энергетического развития и ее потенциальным возможностям можно судить об экономической мощи страны. Энергетическую ситуацию в мире можно назвать относительно переменчивой в связи с политической ситуацией в мире, дисбалансом запасов ископаемого топлива отдельных стран, нестабильностью цен на первичные энергоносители.

В ближайшей перспективе топливно-энергетический комплекс остается важнейшей отраслью мирового хозяйства. Энергетика во всем мире имеет растущий долговременный спрос на свою продукцию, что является инерционной отраслью, так как требует высоких огромных инвестиционных затрат. Изменение структуры энергопроизводства – это медленный, длительный процесс, который не позволяет гибко реагировать на меняющиеся ситуации. Специфика энергетической отрасли народного хозяйства требует огромных капиталовложений. Мир в целом расходует на накопление примерно 2024% своего ВВП, на развитие энергетики направляется только 1-1,2%, или около 5% объема мировых реальных инвестиций [1,2].

По данным МАГАТЭ современное мировое сообщество использует энергию в громадных масштабах, и размеры энергопотребления возрастают с колоссальной скоростью. С 70-х годов прошлого века потребление основных природных топливных ресурсов (нефти, угля, газа), составляющих почти 90% мирового энергобаланса, увеличилось в 2,5 раза, что стало причиной актуализации негативных прогнозов развития мировой энергетики в связи с истощением природных ресурсов.

В начале текущего столетия бедные страны (в соответствии с резолюцией ООН страны, где доходы каждого жителя менее 3 долл. за один час) испытывают серьезную нехватку энергии, в особенности электричества. На сегодняшний день около 1,6 млрд. человек, или четверть населения мира, живут без электричества. Экономисты развитых стран прогнозирует, пока большинство стран не приблизится по уровню энергопотребления к величине 10 кВт на человека, энергосбережение не сможет оказать заметного влияния на рост мирового производства энергии.

Рост энергопотребления по годам и связь его с численностью населения показывают, что средние годовые темпы роста потребления энергоресурсов значительно опережает темпы роста численности населения. Так численность населения планеты с 1950 по 1981г. возросла в 1,9 раза, а потребление энергетических ресурсов – более чем в 4,3 раза. Однако высокого уровня потребления энергии достигли лишь промышленно развитые страны.

Анализ спроса на ресурсы показывает, что удельное энергопотребление зависит не только от уровня жизни и менталитета населения стран, но и от климата, социального строя, развитости инфраструктуры, транспорта, уровня мировой интеграции и ряда других причин. В северных развитых странах (Канада, Норвегия, Скандинавские страны) сегодня оно достигает 5-6 кВт/чел, в южных развитых (Италия, Франция, Кувейт, ОАЭ, юг США, Австралия) – 3-4 кВт/чел, в среднеразвитых (Египет, Турция, Китай, Северная Америка) – 1-2 кВт/чел, в слаборазвитых (Африка, Пакистан, Индия) – 0,1-0,7 кВт/чел. В среднем по миру – 2 кВт/чел. Этот показатель в постсоветских странах составляет около 2-2,5 кВт (Казахстан, Россия) – 4-5 кВт/чел.) на человека.

 

Таблица 1 – Динамика потребления энергии на душу населения в разных странах

 

Страна, группа стран	Нефть, т, на душу населения	Электричества, кВт-час на душу населения	Среднегодовой темп прироста потребления э/энергии в 2001-2020 гг. % (прогноз)
США	8,9	12331	121
Германия	4,1	5963	141
Польша	2,4	2511	133
Китай	4,8	7628	131
Россия	0,9	827	253
Казахстан	5,9	6700	151

 

Анализ спроса на ресурсы показывает, что удельное энергопотребление зависит не только от уровня жизни и менталитета населения стран, но и от климата, социального строя, развитости инфраструктуры, транспорта, уровня мировой интеграции и ряда других причин. В северных развитых странах (Канада, Норвегия, Скандинавские страны) сегодня оно достигает 5-6 кВт/чел, в южных развитых (Италия, Франция, Кувейт, ОАЭ, юг США, Австралия) – 3-4 кВт/чел, в среднеразвитых (Египет, Турция, Китай, Северная Америка) – 1-2 кВт/чел, в слаборазвитых (Африка, Пакистан, Индия) – 0,1-0,7 кВт/чел. В среднем по миру – 2 кВт/чел. Этот показатель в постсоветских странах составляет около 2-2,5 кВт (Казахстан, Россия) – 4-5 кВт/чел.) на человека.

По данным ООН, численность населения за 40-50 лет удваивается, в производстве и потреблении энергии это происходит через каждые 12-15 лет. К 2030 г. наиболее высокий ежегодный прирост населения – 1,1% – ожидается в развивающихся странах, более умеренный – 0,4% – в промышленно развитых. В странах Восточной Европы прироста населения не прогнозируется. С учетом того, что население нашей планеты к 2035 г. увеличится на 1,7 млрд. человек, ежегодно рост потребления энергии будет составлять 3,5%. В странах Азии, Африки и Латинской Америки рост населения составит 90% от всего прироста численности населения на нашей планете, также на них придется и 90 % роста потребления в мире энергии.

Отличительная черта развития современной мировой энергетики – интенсивное потребление ископаемых и заведомо исчерпаемых ресурсов. Мировая экономика развивается за счет так называемой параболической ветви зависимости доступности ресурсов по формуле: два раза увеличивается вложение средств в добычу и получаем в четыре раза больше ресурсов. Ранее на получение 100 баррелей нефти тратился один баррель, теперь в среднем по миру один баррель позволяет получить всего лишь 5 баррелей.

Также характерной чертой развития энергетики во второй половине ХХ в. являются более низкие темпы ее роста по сравнению с общим ростом производства. Причины такого развития энергетики состоят, во-первых, в том, что научно-технический прогресс создал условия для развития энергосберегающих технологий, особенно в энергоемких производственных отраслях. Технология переработки первичных видов энергии в электричество обеспечила эффективность их использования в 2 раза.

Тенденции развития топливно-энергетических ресурсов показывает, в индустриальных странах потребление энергии увеличивается ежегодно на 3 %, а в развивающихся странах – вдвое больше. В настоящее время около половины мирового потребления приходится на США, страны Западной Европы и Японии. За последние три года лишь рост потребления энергии в Китае составил объемы потребления за весь год Японии, и КНР вышла на первое место по потреблению энергии, на ее долю приходится 21% всего спроса на энергоносители (рисунок 1).

Рисунок 1 – Крупнейшие потребители энергии в мире (по данным 2015г. в млр. нефт эквивал)

 

По заключению специалистов Китай в 2035 г. будет потреблять энергоресурсов на 70% больше, чем США. Если потребление будет идти такими же темпами, что и сейчас, то к 2030 г. 45% всего потребления энергоресурсов придется на Китай и Индию. Сейчас на эти две страны приходится 45% потребляемого в мире каменного угля.

За прошедшие три десятилетия структура энергопотребления на глобальном и национальном уровнях претерпела значительные изменения, однако по-прежнему исключительно важное значение имеют ископаемые виды топлива, на которые на сегодняшний день приходится более 90% мирового потребления энергоресурсов, в том числе: на нефть – 40,1, уголь – 27,8, природный газ – 22,9%. Более высокие доходы, получаемые от продажи природных ресурсов, должны дать мощный толчок экономическому росту. Однако, как показывают исследования, во многих развивающихся странах наделенность природными ресурсами находится в обратной зависимости с темпами экономического роста и жизненнными стандартами и в прямой – с неравенством доходов. Такая негативная связь между богатством природными ресурсами и экономическим ростом получила название «ресурсного проклятия».

Желая довести их размер до максимума и использовать благоприятную, долговечную конъюнктуру рынка, государства увеличивают объемы добычи и экспорта топлива. На фоне этой гонки месторождения истощаются, коэффициент нефтедобычи падает, загрязнение окружающей среды в районах нефтедобычи стремительно нарастает. По некоторым прогнозом через 20 лет мировое потребление нефти по сравнению с нынешним объемом увеличится на 40 %. В то же время интенсивность добычи нефти и газа на крупнейших месторождениях мира выходит на максимально высокий уровень использования мощностей. Как отмечают эксперты, преодолеть топливный кризис можно, если прекратится погоня за прибылью, замедлятся темпы разработки месторождений топлива, будут приняты меры по диверсификации экономики, повышению ее конкурентоспособности через освоение ресурсосберегающих технологий.

На настоящем этапе одна из основных проблем энергетической отрасли – потребность огромных инвестиционных ресурсов в добычу и производство энергии. Инвестиции в топливно-энергетический комплекс имеют свою специфику – относительно длительные сроки окупаемости (цикл капитализации составляет в среднем около 10 лет от открытия месторождения до начала его разработки). Новые месторождения энергоресурсов открывают в основном в регионах, для которых характерны непростые природные, экономические, а иногда и политические особенности, осложняющие добычу нефти и газа. Недостаточное предложение в условиях растущего спроса приводит к ужесточению конкурентной борьбы за существующие ресурсы.

Несмотря на почти трехкратное увеличение производства энергии на конец двадцатого столетия за счет использования водных и ядерных источников, их доля в мировом энергобалансе остается незначительной – примерно 5 и 6%. При современных темпах роста потребления ископаемых видов топлива, запасов нефти хватит минимум на 75 лет, природного газа более чем на 100, угля – более чем на 200 лет. По прогнозу Международного энергетического агентства, при сохранении современных тенденций в мировой энергетике в период до 2020 г. глобальное потребление первичных энергоресурсов может возрасти на 65 %. Доля ископаемых видов топлива в мировом энергобалансе к этому времени должна сократиться до 76% и к 2050 г. – до 45% (таблица 2).

Таблица 2 – Прогноз мирового энергобаланса

Источник энергии	1990	2000	2020	2050
Всего	100	100	100	100
Нефть	43	38	28	20
Природный газ	19	23	23	23
Уголь	28	27	25	21
Ядерное топливо	5	6	7	14
Возобновляемые источники энергии	5	6	7	22

 

В структуре потребления первичной энергии в Европе к 2015 г. планируется сократить долю нефти с 42 % (2000г.) до 38 % (2020), в основном за счет роста доли природного газа с 22 до 27%.

Энергетический потенциал любой страны характеризуется коэффициентом энергообеспеченности, представляющим собой отношение собственного производства энергоресурсов к их потреблению. Если коэффициент меньше единицы – страна удовлетворяет свои потребности за счет экспорта, при более единицы – страна экспортирует ресурс. На уровне 2015 г. коэффициент обеспеченности стран «восьмерки» выглядит следующим образом:

1. Канада – 1,5;

2. Франция – 0,5;

3. Германия – 0,4;

4. Италия – 0,16;

5. Япония – 0,2;

6. Великобритания – 1,2;

7. США – 0,74

8. Россия – 1,6.

9. Казахстан относится к энергообеспеченной стране, с коэффициентом обеспеченности – около 2,0.

Россия, Азербайджан, Туркменистан, Казахстан и Узбекистан полностью обеспечены ТЭР и являются экспортерами топлива. Россия обладает наибольшими запасами энергоресурсов на всем постсоветском пространстве (таблица 1). Она также занимает лидирующие позиции в мире по различным видам ТЭР. Так, по запасам природного газа Россия находится на первом месте в мире, угля и гидроэнергоресурсов – на втором, урановой руды – на четвертом, нефти – на седьмом.

Разведанные нефтяные запасы стран постсоветского пространства оцениваются в 16,8 млрд. т, в том числе в России сосредоточено 60,6%, Казахстане – 31,5%, Азербайджане – 5,9%. Помимо этих стран значительными запасами нефти располагают также, в порядке убывания, Туркменистан Узбекистан, Кыргызстан. Небольшие запасы нефти имеются в Беларуси и Украине.

На долю России приходится 69,3% всех разведанных запасов угля стран бывшего СССР, составляющих 226,7 млрд. т, на Украину – 14,9%, Казахстан – 13,8%. В Грузии, Узбекистане и Кыргызстане запасы угля незначительны. Россия располагает 76,3% всех разведанных на постсоветском пространстве запасов природного газа. Далее следуют Туркменистан (13,9%), Казахстан (3,1%), Узбекистан, Азербайджан и Украина (менее 3% в каждой стане). Небольшие запасы газа есть в Таджикистане, Грузии, Кыргызстане и Беларуси.

В последнее время все больше актуализируется проблема ограниченности природных ресурсов, являющихся факторами производства благ. Особую озабоченность вызывает угроза исчерпания легкодоступных запасов углеводородных энергоносителей – нефти, угля и газа, которые составляют около 80% в структуре мирового потребления первичных энергоресурсов. Ориентация на нефть, природный газ, уголь, которая сохранится в текущем столетии, создает определенные экономические и экологические проблемы. Темпы освоения и развития новых источников органического ископаемого топлива сегодня ниже темпов роста его потребления, и перед человечеством все более явственно возникает реальная и научно обоснованная перспектива истощения разведанных запасов топлива в течение нескольких поколений.

Анализ зарубежного опыта показывает, что увеличение доли нетрадиционной энергетики в энергобалансе позволяет получать «чистую энергию», снизить излишнюю централизованность энергосистемы. В дальнейшем основное энергопотребление предполагается осуществлять за счет угля и возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и, возможно, «термоядерной энергии». Использование современных энергоэффективных и энергосберегающих технологий, развитие возобновляемой энергетики, поиск новых энергоресурсов – пути решения проблем энергоснабжения и энергоэффективности. Новые технологии использования возобновляемых источников энергии (new renewable – НВИЭ) привлекают все большее внимание своими преимуществами: неисчерпаемостью, меньшим загрязнением окружающей среды, позволяют сокращать невосполнимые расходы традиционных видов топлива, осваивать современные высокие технологии, создавать принципиально новые машиностроительные отрасли, дополнительные высококвалифицированные рабочие места.

В мировой энергетике за последние годы совершается технический прогресс, создается новая крупная отрасль, успешно конкурирующая технически и экономически с традиционными технологиями энергетики и имеющая большие перспективы развития. С такой стратегией сегодня в мире выступает более 130 стран, которые приняли обязательства по сокращению субсидий на ядерную энергетику и энергетику, основанную на ископаемом топливе. В странах Европейского экономического сообщества предполагается, что в 2010-2020 гг. вводы новых энергомощностей на основе ВИЭ почти в 2 раза превысят вводы на традиционных электростанциях (ТЭС, ГЭС, АЭС) вместе взятых. Это позволит в 2020 г. в странах ЕС иметь долю возобновляемой энергетики в 22 %.

Из альтернативных источников энергии наиболее динамично развивается ветроэнергетика. Только производство ветроэнергетических установок (ВЭУ) в мире за последние 15 лет выросло более чем в 20 раз и ежегодно увеличивается на 15-25 %. За счет совершенствования соответствующего оборудования и технологии коэффициент их полезного действия приближается к 50% при теоретическом лимите 59%. Себестоимость получаемой на ветровых установках энергии за последние десятилетия уменьшилась в среднем на 40%. В некоторых странах этот показатель приближается к показателям себестоимости электроэнергии, получаемой на электростанциях, работающих на ископаемом топливе.

В таблице 3 представлены соотношения производства электроэнергии в ряде стран Евросоюза на базе возобновляемых источников энергии в 2015 г., по данным Мирового энергетического агентства.[3]

 

Таблица 3- Доля ВИЭ (%) по некоторым странам ЕЭС

Государство	Доля ВИЭ, %
Австралия	45,0
Португалия	31,0
Финляндия	38,0
Швеция	50,0
Великобритания	10,0
Дания	34,0
Германия	18,0
Греция	20,1
Испания	21,4
Франция	23,0
Италия	17,0
Россия	6,4%

 

По данным Всемирной ассоциации ветровой энергетики к 2050 г. мощности (ветровые электрические станции) ВЭС будут обеспечивать треть всего энергопотребления планеты. Особенно ветроэнергетика динамично развивается в азиатских странах – в Индии, Китае, где установлены ветроэнергетические установки общей мощностью более тысячи МВт. Некоторые страны близки к этому показателю уже сегодня. В Испании общие мощности ветроэнергетических установок за последние десять лет выросли почти в 7 раз. К началу текущего столетия в стране планируется восьмикратное их увеличение. В настоящее время доля ВИЭ в производстве электроэнергии в Германии достигла 25% (после аварии «Фукусима-1», предусматривается доведение этого уровня до 40% к 2020-му и до 80% к 2050-му. К этому периоду в Дании показатель достигнет 85%. Говоря о потенциале ветровой энергии, необходимо отметить, что по данным европейской энергетической ассоциации, в 2012 г. европейские страны преодолели условный барьер в 100 000 МВт только за счет ветровых установок.[1,2]

 

Таблица 4 – Доля АЭС в энергобалансе ряде стран

 

Страна	Количество энергоблоков	Доля АЭС в энергобалансе (%)
США	104	20
Франция	59	75
Япония	53	36
Великобритания	35	50
Россия	29	14
Канада	21	35
Германия	20	30
Украина	16	44
Республика Корея	16	43
Швеция	11	50
Испания	9	31

 

Примерно шестую часть мирового производства электроэнергии и треть европейского обеспечивает атомная электроэнергетика. В настоящий период примерно шестую часть мирового производства электроэнергии и треть Европейского Союза обеспечивает атомная энергетика.

Предположительно к 2020 г. она вырастет до 20 % в основном за счет Китая и Ирана, где нет других альтернатив, кроме строительства АЭС или угольных станций. В начале текущего столетия в мире эксплуатировалось 68 атомных электростанций. На них работало 427 атомных энергоблоков и 40 установок находилось в стадии строительства (таблица 4). По количеству атомных реакторов первое место в мире занимают США (104), за ними следуют Франция (59), Япония (53).

Вместе с тем, атомная отрасль сталкивается с серьезными проблемами экологического и политического характера. Для большинства стран, эксплуатирующих АЭС, серьезную проблему представляет безопасное хранение возрастающих запасов отработанного топлива и ядерных отходов, часть которых будет сохранять радиоактивность до конца третьего тысячелетия. Ряд европейских государств уже приняли решение о постепенном закрытии своих старых АЭС и отказе от строительства новых. В частности, правительство Швеции намерено свернуть атомную энергетику и закрыть единственную в стране АЭС. Мораторий на строительство новых АЭС введен в Бельгии и Испании. В Германии с 2012 г. запрещено использование ядерной энергетики, что подстегнуло развитие альтернативных источников. После катастрофической аварии на АЭС «Фукусима-1» Япония заявила о планах отказа от АЭС к 2040 г., намереваясь довести долю ВИЭ до 30%.

И, наконец, об экономической выгоде АЭС. Серьезным экономическим аргументом против строительства АЭС является срок службы атомных энергетических объектов, не превышающий 30-40 лет. По данным МАГАТЭ, из всех энергоблоков АЭС в мире 5% реакторов находятся в эксплуатации более 40 лет и 32% – более тридцати лет. Более того, из 254 исследовательских реакторов 70% установок эксплуатируются более тридцати лет, многие – сверх проектного ресурса, что вызывает проблему в эксплуатации.

В настоящее время из 400 атомных реакторов, работающих на планете, более 20 должны быть выведены из эксплуатации в течение 10-15 лет. Таким образом, перспективы развития атомной энергетики в мире неоднозначны, прогнозы делаются полярные, и ориентироваться исключительно на нее, видимо, не совсем верно. Кроме того, специалисты считают, что затраты на захоронение отходов составляют не менее 75% стоимости самой станции, а стоимость демонтажа АЭС сравнима с суммами, пошедшими на сооружение станции. В настоящий период примерно шестую часть мирового производства электроэнергии и треть Европейского Союза обеспечивает атомная энергетика. Предположительно к 2020 г. она вырастет до 20 % в основном за счет Китая и Ирана.

Таким образом, можно констатировать, ядерная энергетика не является сформированной технологией, и поэтому сегодня АЭС не могут участвовать на конкурентном рынке энергоресурсов. Несформированность ядерной энергетики следует из того факта, что ядерный топливный цикл не завершен: нет замыкания цикла с целью полного использования потенциала ядерного топлива; отсутствует отработанная технология обращения с радиоактивными отходами.

 

Вопросы к лекции 1:

1) Основные тенденции мировой энергетической политики

2) Каков процент вложений, расходуемый миром на развитие энергетической отрасли?

3) Потребление нефти, т, на душу населения в России и Казахстане?

4) Удельное энергопотребление на душу населения в северных развитых странах, кВт/чел?

5) Процент увеличения потребления энергии в индустриально-развитых странах?

6) Доля потребления ископаемых видов топлива в энергетическом мировом балансе?

7) Государство с наиболее высоким коэффициентом энергообеспеченности?

8) Страна с max долей разведовательных запасов угля на постсоветском пространстве?

9) Планируемая доля ВИЭ к 2020 году в странах ЕС?

10) Наиболее динаично развивающаяся отрасль ВИЭ?

11) Государство с максимальной долей ВИЭ на настоящий момент?

12) Государство с максимальной долей АЭС в энергобалансе?

13) Страны, в которых введён мораторий на строительство АЭС?