Глава первая
ПОТРЕБНОСТИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА В ЭНЕРГИИ
Как уже отмечалось во введении, сегодняшний уровень мирового потребления энергии весьма велик. Дальнейший рост потребления и производства энергии потребует большого напряжения экономики всех стран, в связи с чем правильное определение интенсивности этого роста, прогнозирование основных тенденций развития энергетики оказывается чрезвычайно важным.
При составлении прогнозов большое значение имеет выяснение тенденций развития соответствующей отрасли в прошлом. Такой анализ, в частности, показывает, что примерно с начала нынешнего века с некоторыми колебаниями, определявшимися различными социальными потрясениями, потребление энергетических ресурсов в мире возрастало в среднем в год приблизительно на 5% или удваивалось в среднем за 14—15 лет. В 1975 г. мировое потребление первичных энергоресурсов составило 78·1012 кВт-ч. Одновременно, разумеется, росло и население мира, однако этот рост был значительно более медленным. В результате возрастало производство энергии на душу населения. Так, например, в 1930 г. в мире было произведено около 5000, а в 1975-19 800 кВт-ч на душу населения. Если эти цифры поделить на 8760 — число часов в году, то получится средняя мощность, приходящаяся на душу населения; к 1975 г. она составила, как уже отмечалось, около 2,2 кВт-ч, что в 22 раза больше мощности, которую может развить человек.
Однако приведенные средние значения производства энергии на душу населения дают лишь самое приблизительное представление о действительной энерговооруженности людей, поскольку производство энергии в мире распределено очень неравномерно. Из рис. 1.1 [1]
следует, что в начале 70-х годов в страдах, где проживало 72% населения земного шара, производилось до 2 кВт, в странах с 22% — от 2 до 7 кВт и с 6% — более 7 кВт на душу населения. В большом числе стран население располагало только 0,2 кВт.
По видимому, неравномерность в потреблении энергии сохранится достаточно долгое время.
Рис. 1.1. Распределение производства энергии по странам в начале 70-х годов.
Говоря о потреблении энергии, мы должны уметь ответить на следующие вопросы:
- На что тратится энергия?
- Сколько энергии следует потратить для достижения той или иной цели?
- Какой вид энергии или энергоносителя необходим или может быть применен для этого?
В зависимости от уровня развития страны, особенностей ее хозяйства, географического положения статьи расхода энергии изменяются. Например, в Великобритании в 1973 г. было потреблено первичных источников энергии 2650·109 кВт-ч. Потребление энергии на разные нужды за это же время составило:
Отметим, кстати, что отношение 1670/2650=0,63 представляет собой средний коэффициент использования первичных источников энергии.
Для структуры потребления энергии в Советском Союзе характерны большая доля потребления энергии в промышленности и большее развитие общественного транспорта. Так, в 1975 г. доля первичных источников энергии, израсходованных в различных отраслях народного хозяйства, составила, %
Промышленность 54,1
Транспорт ...... 12,0
Сельскохозяйственное производство 6,5
Жилищно-коммунальное хозяйство . 20,3
Прочие 7,1
Итого 100
Вопрос о том, сколько энергии необходимо потратить на те или иные нужды, может быть решен с двух существенно разных позиций. До недавнего времени, а в ряде случаев еще и сейчас, потребности в энергии задаются потребителем только с учетом особенностей самого энергопотребляющего процесса. Такой подход был допустим, пока энергия была относительно дешева и ее составляющая в конечных затратах на тот или иной процесс была невелика. Теперь, когда энергия, и особенно некоторые ее виды и энергоносители, дорожают, необходимо осуществлять комплексную оптимизацию энергопотребляющего процесса с учетом стоимости энергетических затрат.
Поясним сказанное примерами. Рассмотрим затраты теплоты на отопление жилища. Нормы затрат на отопление устанавливаются с учетом конструкции существующих типов жилых домов и опыта их эксплуатации. Естественно, что, если тепловая изоляция дома будет улучшена, если он будет достаточно герметичным, чтобы устранить сквозняки, затраты теплоты удастся снизить. Конструктивные усовершенствования удорожат дом, но снизят затраты на его отопление. Совместная оптимизация обеих статей расхода позволит решить задачу о затратах теплоты на отопление наилучшим образом; например по данным Американского бюро стандартов, рационализация конструкции жилого дома по сравнению с существующими типами позволила бы сэкономить около 33% затрат теплоты на отопление.
Аналогичные подходы возможны и для технологических процессов, в которых различными конструктивными усовершенствованиями ценой некоторого удорожаний установок можно снизить затраты энергии и, в конечном счете, снизить стоимость продукции.
Несколько особнякам стоят вопросы затрат энергии на транспорт. Обычно эти затраты исчисляют в виде количества энергии (или топлива) на тонно-километр перевозимого груза или на пассажиро-километр. Разумеется, и в этом случае усовершенствование силовых транспортных установок может уменьшить расход энергии на перемещение грузов и пассажиров, и эта задача сегодня чрезвычайно важна. Но есть еще один вопрос, решение которого не укладывается только в экономические категории. С какой скоростью следует ездить? Ведь для наземного транспорта необходимая мощность растет пропорционально кубу скорости, а для водного еще сильнее. Ясно, что одно и то же количество пассажиро-километров, но при разной скорости будет соответствовать разным затратам энергии. Выбор скорости и типа транспорта сегодня — это не только вопрос экономики, но и вопрос стиля жизни, в ряде случаев — престижа. Анализируя этот вопрос, некоторые исследователи вообще считают, что мы слишком много ездим. В частности, считают, что большое число служебных поездок можно было бы упразднить, сделав более надежными, оперативными и дешевыми различные виды связи, например видеотелефонную. Во всяком случае, и этот пример показывает, что вопросы энергоснабжения нельзя рассматривать изолированно. Только комплексный экономический, а в ряде случаев социальный анализ позволит правильно решить проблему потребления энергии.
Рассматривая потребности человечества в энергии, необходимо учитывать, что при использовании большинства современных первичных источников (химические и ядерные топлива) их энергия вначале превращается в теплоту. Доля энергии, непосредственно используемой в виде теплоты (для технических нужд, отопления, приготовления пищи и т. п), составляет для большинства стран немногим более половины всей производимой энергии. Остальная анергия используется после предварительного преобразования в механическую работу (в основном транспортные установки) и в электроэнергию. При этом если преобразование первичной энергии в теплоту осуществляется с высоким к. п. д. (для крупных котельных — 90%), то преобразование теплоты в работу вследствие ограничений, налагаемых прежде всего вторым законом термодинамики, происходит с к. п. д., который сегодня не превышает 40—42%.
Рис. 1.2. Изменение структуры конечного потребления энергии в Советском Союзе.
Тем не менее тенденция развития такова, что доля преобразованной энергии (механической и особенно электрической) в конечном потреблении непрерывно возрастает и по прогнозам будет возрастать далее. Это связано с теми преимуществами электроэнергии, которые упомянуты в предисловии.
В этом отношении потребности в энергии целесообразно представить не только по отраслям хозяйства, как это было сделано выше, но и по типу потребляемой энергии. На рис. 1.2 это распределение показано для Советского Союза за 40 лет, начиная с 1930 по 1970 г.
Тип потребителей позволяет указать, какой вид энергии для него предпочтительнее. Так, силовые стационарные процессы обеспечиваются в основном электроэнергией, силовые нестационарные процессы ( в основном транспортные установки) за вычетом электротранспорта, доля которого пока невелика, но, возможно, возрастет к концу века до 10—15%, обеспечиваются двигателями внутреннего сгорания, потребляющими жидкое или газообразное органическое топливо. Высокотемпературные процессы примерно на 30—40% обеспечиваются электроэнергией, а на 60—70% — высокопотенциальной теплотой, получаемой сегодня прежде всего за счет сжигания качественных видов органических топлив. Средне- и низкотемпературные процессы в подавляющем большинстве обеспечиваются теплотой, и заметный вклад электроэнергии в их обеспечение на ближайшую перспективу представляется сомнительным. Индивидуальные установки — это, как правило, установки прямого топливоиспользования, но не исключена и электрификация этих установок, диктуемая прежде всего гигиеническими соображениями. Вопрос в возможной взаимозаменяемости различных видов энергии при ее конечном потреблении приобретает особую важность в связи с предстоящими неминуемыми изменениями в структуре и стоимости первичных источников энергии.
В гл. 4 будет подробно рассказано о том, что одни и те же количества энергии в форме теплоты или электроэнергии (механической энергии) далеко не эквивалентны. В тех случаях, когда потребителю необходимо иметь, например, 1 кДж теплоты, его удовлетворит и 1 кДж электроэнергии. Но если потребителю нужен 1 кДж механической энергии, то 1 кДж электроэнергии для этой цели будет вполне пригоден, тогда как 1 кДж теплоты потребителя не сможет удовлетворить. Таким образом, эти примеры показывают, что тепловой потребитель может быть в принципе удовлетворен равным количеством электроэнергии, но не наоборот. Отсюда можно сделать вывод, что надо стремиться все энергопотребляющие процессы переводить на один вид энергии, например на электроэнергию. Это тем более заманчиво, что сегодняшняя технология позволяет получать электроэнергию практически из всех источников энергии, включая ядерную, а впоследствии и термоядерную. Но, во-первых, это экономически не всегда целесообразно. В силу неэквивалентности 1 кДж электроэнергии стоит в несколько раз дороже 1 кДж теплоты, полученной от того же источника энергии. Во-вторых, из-за того, что электроэнергию в больших количествах и без больших потерь мы сегодня умеем передавать только по проводам, она не пригодна для автомобильного и, тем более, воздушного, и морского транспорта. Не ясны перспективы и возможности чистой электротехнологии в металлургии, где сегодня для получения металлов из руд используется не только энергия в виде теплоты или электроэнергии, но и химические восстановители (прежде всего кокс).
Таким образом, при прогнозах схемы энергопотребления на 30—50 и более лет вперед необходимо прежде всего оценивать возможности более широкого применения электроэнергии во всех случаях, где это только допустимо [2], и для потребителей, не могущих в принципе воспользоваться электроэнергией, разрабатывать промежуточные энергоносители, которые по своим не только энергетическим, но и эксплуатационным характеристикам могли бы заменить широко применяемые сегодня органические жидкие и газообразные топлива. Правильные пропорции как для первичных источников энергии, так и для конечных потребителей зависят от большого числа конкретных условий и являются предметом специального системного исследования.
