Энергетическая революция. XXI век. Перезагрузка

Энергетика в ХХ веке стала одним из основных объектов прогнозирования. Проблемы долгосрочного развития энергетики предельно актуальны для развития человечества. Уже сейчас важно определить грядущие изменения в структуре мировой энергетики и начать готовиться к тому, что традиционные источники энергии утратят свою ведущую роль. Что придет им на смену? Какими же будут основные параметры развития энергетики мира через 100 лет?

Энергетика в ХХ веке стала одним из основных объектов прогнозирования. Проблемы долгосрочного развития энергетики предельно актуальны для развития человечества. Уже сейчас важно определить грядущие изменения в структуре мировой энергетики и начать готовиться к тому, что традиционные источники энергии утратят свою ведущую роль. Что придет им на смену? Какими же будут основные параметры развития энергетики мира через 100 лет?

От гаданий к научным обоснованиям

Предсказатели, гадатели, астрологи и результаты их «творчества» всегда привлекали к себе особое внимание общества. С древних времен люди считали необходимым проконсультироваться о своем будущем со «специалистами». В наше время прогнозирование стало наукой, ей занимаются серьезные научные центры и делают это на основе развитой методологии [1, 2, 3].

С научной точки зрения исследования отдаленного будущего (до 100 лет) имеют преимущественно познавательный характер, однако чем ближе срок прогноза, тем более прагматические задачи он решает. Необходимая глубина прогноза зависит от конкретных исследуемых проблем.

Энергетика в ХХ веке стала одним из основных объектов планирования и прогнозирования, и к настоящему времени в мире накоплен значительный опыт исследований ее будущего развития. Проблема исследования будущего мировой энергетики состоит в том, что необходимо учесть сложный комплекс факторов: тенденции развития мировой экономики и мировой энергетики, технологические, ресурсные и экологические факторы, политические и социокультурные проблемы, а также их взаимное влияние. Необходимо также сочетать количественный и качественный анализ наметившихся и перспективных тенденций. Особенно важно учесть взаимное влияние энергетики, экономики и экологии.

Мировая энергетика и энергетические революции

Энергетика, как и другие сектора экономики, развивается на основе цикличных закономерностей, и в ее динамике отражаются все фазы долгосрочных и сверхдолгосрочных циклов (зарождение, освоение, расцвет, стагнация, кризис), смена технологических укладов (примерно раз в полвека) и технологических способов производства (раз в несколько столетий).

Энергетические революции происходят регулярно. Так, в XVIII веке произошел переход от использования ручного труда, тягловой энергии домашних животных и дров к углю и паровым двигателям, сопровождающих начало и расцвет промышленной революции в Европе и переход от феодализма к капитализму. Динамика мировой системы в 1870-1970 гг. определялась очередной фазой долгосрочного роста – индустриальной. В рамках индустриальной фазы наблюдались несколько волн роста, разделенных острыми кризисами, которые сопровождались сменой парадигмы развития. Параллельно шли процессы последовательного освоения использования нефти в качестве моторных топлив, развития электроэнергетических систем, освоения ядерной энергии. Сегодня в мире продолжается рост использования газового топлива (рис. 1).

В настоящее время на долю нефти в мировом потреблении первичных энергетических ресурсов (ПЭР) приходится 34%, угля – 30%, газа – 24%, гидроэнергии – 6%, атомной энергии – 5%, возобновляемых источников энергии (ВИЭ) – 1% (рис. 2). Как видим, основой мировой энергетики до сих пор остаются ископаемые виды топлива, нефть, уголь и газ.

По мнению большинства специалистов, в начале XXI в. началась постепенная, глубокая трансформация мировой энергетики, закладываются основы энергетической революции постиндустриально-ноосферного типа. Необходимость перемен в энергетике объясняется тем, что на сегодняшний день уже исчерпаны или серьезно истощены лучшие месторождения ископаемого топлива — фундамента современной энергетики. В результате значительно возросла стоимость ископаемого топлива.

Глобальный энергетический кризис будет нарастать и углубляться, а ископаемое топливо непрерывно дорожать, что расширит экономические возможности использования альтернативных, возобновляемых источников энергии и увеличит их долю в структуре энергопотребления. На рисунке 3 приведен прогноз структуры потребления ПЭР в мире, подготовленный компанией Exxon Mobil Corporation в 2008 г. Как видно из рисунка, к 2050 г. произойдет сокращение использования нефти до 20% от суммарного потребления ПЭР в мире. Также сократится потребление угля и газа. Наиболее динамично будут развиваться такие ВИЭ, как солнечная, ветровая энергия и энергия биомассы.

Подлинная энергетическая революция развернется в середине XXI в. На рисунке 4 представлены результаты прогноза, проведенного для Межгосударственной панели по изменению климата ООН. В этом сценарии развития мировой энергетики предполагается, что радикально изменится структура первичных источников энергии: за счет ядерной энергии и возобновляемых источников энергии еще больше сократится доля нефти и других ископаемых видов топлива. Более того, к концу XXI века они могут обеспечивать более половины потребления ПЭР в мире.

Переворот охватит и сферу энергопотребления, в результате ее темпы роста будут продолжать снижаться, а к концу века абсолютные объемы мирового энергопотребления начнут сокращаться. Можно дискутировать с авторами этого прогноза о периодах достижения пиков и скорости спада в использовании нефти, газа и угля, однако это не может изменить главного вывода о переходе на принципиально новую структуру энергетического баланса мировой энергетики.

В результате обозначенных перемен появится возможность преодолеть нарастающий глобальный экологический кризис, причиной которого является загрязнение атмосферы стационарными (предприятия) и индивидуальными (транспорт) энергоустановками.

Только значительное сокращение объемов использования ископаемого топлива позволит с 2040 - 2050 гг. постепенно уменьшать загрязнение атмосферы.

Новые энергетические технологии

Для того, чтобы обеспечить рассмотренные выше изменения в структуре источников мировой энергетики, необходим переход на новые энергетические технологии.

Эксперты определяют два «закона успеха» для энергетических технологий:

1. Стадия разработки
   Эта стадия занимает 30 лет, в течение которых наблюдается тысячекратный рост, необходимый для того, чтобы, начиная с опытно-промышленных масштабов, достичь 1 - 2% мирового суммарного потребления первичной энергии (устойчивый темп роста – 26% в год);
   
   
2. Стадия развития
   После первой стадии внедрение технологий происходит более последовательно, определяя их окончательную нишу в структуре энергетики.

В таблице 1 представлены основные направления развития энергетических технологий, наиболее актуальных к середине XXI века.

Во второй половине XXI века наряду с обозначенными выше технологиями, которые, как предполагается, будут играть преобладающую роль в мировой энергетике, появится необходимость в новых «инновационных» технологиях, которые в настоящее время только обсуждаются в научных кругах.

На начало 2010-х годов обозначилось порядка десяти перспективных подходов развития принципиально новой энергетики. В одних областях поиска уже получены определённые практически значимые результаты, в других - исследования ведутся на уровне лабораторных или полупромышленных моделей.

Широкое внимание как одно из перспективных направлений развития мировой энергетики привлекает водород. Использование водорода в качестве средства аккумулирования, транспортировки и потребления энергии лежит в основе водородной энергетики. Развитие данной отрасли позволяет применять водород в производстве и для нужд транспортной инфраструктуры.

Кроме того, следует упомянуть управляемый термоядерный синтез (УТС). В основе УТС лежит процесс слияния легких атомных ядер, происходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых, управляемых условиях. Ожидаемое экономическое использование термоядерных реакторов для выработки электроэнергии будет обеспечено безграничным запасом общедоступного топлива (водорода). Добыча его легко может быть обеспечена из морской воды. Отсутствие продуктов сгорания и невозможность неуправляемой реакции синтеза — другие положительные стороны УТС.

Развитие энергетических технологий во второй половине текущего столетия может быть связано и с дальнейшим освоением космического пространства. В этот период при определённых условиях может быть реализован ряд проектов по созданию космических энергетических систем, утилизирующих солнечную энергию и передающих ее на Землю с использованием сверхвысокочастотного (СВЧ) или микроволнового излучения. Предполагается, что основой этой системы буду солнечные энергетические спутники на геостационарной орбите мощностью порядка 5 ГВт и лунная энергетическая система мощностью 20 000 ГВт. Еще один крупномасштабный проект предполагает добычу на Луне гелия–3 с перевозкой его на Землю и использованием затем в термоядерных реакторах. При всей кажущейся фантастичности энергетических проектов, связанных с космосом, следует напомнить об инициативе руководства российской космической корпорации «Энергия». В 2006 – 2007 гг. оно активно продвигало идею создания лунной станции и начала работ по добыче гелия–3 уже в 2015 – 2020 гг. Реализация проекта не получила поддержки из–за отсутствия технологий использования гелия–3 в малых ядерных реакторах.

Имеются и другие наработки в области перспективных источников энергии. Экспертная группа ИГСО, например, видит перспективными следующий набор энергетических технологий:

• установки для нагрева жидкости — вихревые теплогенераторы (существуют и другие названия этих установок);
• «холодный ядерный синтез»;
• магнитомеханический усилитель мощности;
• индукционные нагреватели;
• двигатели без выброса массы;
• напряженные замкнутые контуры;
• энергоустановки на основе динамической сверхпроводимости;
• атмосферная электроэнергетика.

Риски и возможности для России

Рассмотренные выше перспективы развития мировой энергетики создают для России как значительные риски, так и новые возможности.

Энергетическая стратегия России на период до 2030 г. предусматривает различные сценарии развития мировой энергетики и возможности для адаптации к ним [4]. Однако более отдаленное будущее предполагает принципиально новые вызовы, которые практически не учитываются в современной государственной энергетической политике. Например, это неотвратимость климатических изменений и потребность в соответствующей климатической политике. Россия пока не принимает достаточных мер для перехода к неуглеродной энергетике, что делает ее позиции в системе мирового климатического регулирования весьма уязвимыми (системы квот на выбросы, штрафы за их превышение, снижение экспорта ископаемого топлива, возможные тарифные и нетарифные ограничения на поставки углеродоемкой продукции и пр.). В России весьма слабо развивается индустрия возобновляемых источников энергии, энергосервисных и энергосберегающих услуг, несмотря на их значительный рыночный потенциал.

Имеется крайне серьезный риск глубокого технологического отставания. Развитие энергетики в России и государственная политика в этой области выдержаны в духе индустриальной энергетики и ориентированы на наращивание добычи ископаемого топлива и энергетических мощностей. Недостаточное внимание уделяется ключевым направлениям в создании энергетики нового типа – «умным сетям», управлению энергопотреблением и энергоинформационным системам, технологическому энергосбережению, децентрализации энергоснабжения.

Переход мира на неуглеродные виды энергии ставит под вопрос источники доходов в бюджеты страны, которые в значительной мере зависят от экспорта углеводородов.

Для преодоления вызовов будущего и реализации возможностей, заложенных в нем, необходима корректировка государственной энергетической политики с ориентацией на перспективу создания энергетики постиндустриального типа.

Заключение

Развитие человечества в XXI веке столкнется с необходимостью проведения радикальных преобразований в сфере энергетики. В период до 2100 г. произойдет радикальная перестройка структуры мирового энергетического баланса. Традиционные источники энергии (нефть, газ, уголь) перестанут играть доминирующую роль и уступят место неуглеродным видам энергии. Многократно возрастет значение новых технологий, основы развития которых надо закладывать уже сейчас. Для России это означает необходимость смены приоритетов в развитии энергетики уже в ближайшем будущем.

1. Energy in a finite world: a global system analysis/ W. Hafele. – Cambridge Massachusetts: Ballinger Publ. Comp., 1981.

2. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию/ Л.С. Беляев и др. Наука – Новосибирск, 2000.

3. World Energy Assessment: Energy and the Challenge of Sustainability. IIASA, 2002.

4. Энергетическая стратегия России на период до 2030 г. МЭ РФ, 2009.