Рис. 8. Источники и области потребления первичной энергии в США в 2010 г.
1.3. Тенденции развития энергетики
Уже сейчас производимая человечеством энергия достигла почти 0,02 % от потока солнечной энергии, достигающей земной поверхности. Однако население мира обеспечено этой энергией крайне неравномерно. Подавляющая часть потребляемой на Земле энергии приходится на развитые страны. Только на долю США, где проживает всего 4 % населения планеты, сейчас приходится 20 % потребления мировых сырьевых и энергетических ресурсов. В то же время, согласно данным, опубликованным в Перспективах развития мировой энергетики, подготовленных Международным энергетическим агентством (International Energy Agency), в современном мире 1,6 млрд человек все еще не имеет доступа к электроэнергии, а 2,4 млрд человек используют в основном биомассу, т. е. дрова, для отопления и приготовления пищи. И в течение ближайших тридцати лет эти цифры практически не изменятся.
В зависимости от уровня экономического развития страны ежегодное потребление энергии (в пересчете на нефть) изменяется от 65 баррель/чел. в США до 50 баррель/чел. в Западной Европе, 33 баррель/чел. в Японии, 10 баррель/чел. в Мексике (среднемировой уровень), 0,8 баррель/чел. в Бангладеш и 0,7 баррель/чел. в Нигерии. Таким образом, разрыв между наиболее бедными и наиболее богатыми странами достигает почти 100 раз. По прогнозам к концу текущего столетия население планеты удвоится, достигнув уровня 12–13 млрд человек, после чего оно, возможно, стабилизируется. Поскольку потребление энергии подавляющей частью жителей Земли в сто раз отстает от современного уровня развитых стран (свыше 10 кВт установленной мощности на человека), даже после стабилизации населения экономическая и политическая стабилизация в мире невозможна без хотя бы частичного сокращения разрыва в уровне жизни. А это потребует сокращения разрыва в энергопотреблении между богатыми и бедными странами.
В связи с необходимостью ускоренного развития слаборазвитых стран в течение первой половины текущего столетия прогнозируется быстрый рост мирового потребления энергии на уровне 1,7 % в год, и до конца века глобальное потребление энергии, видимо, увеличится еще в несколько раз, вплотную приблизившись к 0,1 % от падающего на Землю потока солнечной радиации. Для того же, чтобы обеспечить всему человечеству современный уровень жизни, мировое производство энергии должно увеличиться почти в сто раз, т. е. превысить 1 % от потока солнечной радиации. Но если это реально произойдет, нарушится тепловой баланс планеты, и средняя температура поверхности (~300 К) может увеличиться тоже примерно на 1 %, т. е. на ~2–3°С, что неизбежно вызовет климатическую катастрофу глобального масштаба.
Пока же мировая энергетика продолжает развиваться очень высокими темпами. Согласно данным Energy Information Administration (EIA) ожидается, что за два десятилетия этого века мировое потребление энергии увеличится на 59 %. Это увеличение произойдет, несмотря на ожидаемое значительное увеличение эффективности использования энергии в расчете на единицу производимого Валового Внутреннего Продукта (ВВП). Половина ожидаемого к 2020 г. прироста придется на развивающиеся страны, включая Китай, Индию, Южную Корею, Центральную и Южную Америку. При этом основным источником энергии для современной цивилизации по-прежнему остается ископаемое топливо.
Учитывая обостряющуюся ситуацию с ископаемыми энергоносителями, их растущий дефицит и стоимость, а также обострение связанных с энергетикой глобальных экологических и климатических проблем, повышение эффективности использования энергоресурсов и снижение удельных затрат энергии на единицу производимой продукции становится ведущей тенденцией мировой энергетики. Например, США при постоянном росте ВВП в последние годы сумели практически стабилизировать потребление энергии. Это было достигнуто в основном за счет того, что за 40 лет было почти вдвое снижено удельное потребление энергии на единицу производимого в стране ВВП (рис. 9).
Рис. 9. Показатели эффективности использования энергоресурсов в США: ВВП (трлн долл.), полное потребление энергии (трлн БТЕ) и удельное потребление энергии (млн БТЕ/1000 долл: ВВП)
Тенденция заметного снижения темпов роста энергопотребления на единицу прироста ВВП характерна сейчас для всех ведущих стран мира. Особенно впечатляющие успехи в этом демонстрирует КНР (рис. 10).
Рис. 10. Изменение темпов роста энергопотребления на 1 % прироста ВВП (Источник: Прогноз Института энергетических исследований РАН)
К сожалению, обладая огромными природными энергоресурсами, Россия менее рачительно относится к проблеме их рационального использования. Удельное потребление газа в нашей экономике в 10–20 раз превосходит аналогичные показатели европейских стран (рис. 11), хотя, конечно, климатическая ситуация также играет в этом определенную роль.
Рис. 11. Соотношение удельного потребления энергии и газа на единицу ВВП (кг н. э./долл.) в России и странах Западной Европы (Карпель, 2010)
Повышение энергоэффективности современной энергетики позволяет ослабить текущую зависимость мировой экономики от поставок энергоресурсов и реально снизить воздействие энергетики на климатические процессы. Но в целом это лишь отдаляет неизбежное наступление периода истощения ископаемых ресурсов, давая нам дополнительное время для более глобального решения энергетических проблем.
1.4. Долгий путь к термояду
Парадоксальность современной ситуации в энергетике в том, что прогнозировать ее отдаленное будущее сейчас легче, чем более близкие перспективы. Мало кто из специалистов сомневается в том, что к концу текущего века, ну может быть чуть позже, основным источником энергии для человечества станет термоядерная энергетика. Просто в распоряжении человечества даже в перспективе нет других альтернативных источников энергии такого же масштаба, и мы будем вынуждены решить эту проблему. Это именно тот первичный источник, который обеспечивает энергией все процессы на нашей планете за счет потока падающего на нее солнечного излучения. И, в конце концов, этот источник в принципе уже технически нами освоен, правда, пока еще в неуправляемом режиме, на уровне термоядерной бомбы. Мы понимаем основные закономерности этого процесса, и хотя проблема оказалась гораздо сложнее, чем это представлялось на начальном этапе, вряд ли можно сомневаться, что она со временем будет решена и практически.
Освоив управляемый термоядерный синтез, человечество на тысячелетия получило бы практически неисчерпаемый источник энергии. Однако решение этой проблемы, еще тридцать лет назад казавшейся практически уже решенной, отодвигается все в более далекое будущее. По своей сложности проблема управляемого термоядерного синтеза превзошла все научно-технические проблемы, с которыми столкнулось естествознание в ХХ веке. Для того чтобы осуществить реакцию синтеза в дейтерий-тритиевой плазме, необходимо нагреть ее до температуры порядка 100 млн градусов и удерживать в течение определенного времени, зависящего от ее плотности. В настоящее время разрабатываются два основных направления реализации управляемого термоядерного синтеза: на основе удержания плазмы с помощью магнитных полей и инерционное удержание. Наиболее перспективными устройствами для удержания плазмы с помощью внешних и собственных магнитных полей остаются магнитные ловушки тороидального типа, получившие название «токамак», которые были предложены и разработаны отечественными учеными. К настоящему моменту в мире построено более 100 токамаков различных размеров и конструкции. Другое направление вместо попыток удержать неустойчивые плазменные сгустки предполагает создание таких условий, при которых основная часть термоядерного топлива сгорала бы быстрее, чем оно разлетится. То есть проблема удержания плазмы заменяется проблемой ее быстрого нагрева, например, интенсивным лазерным импульсом.
Исследования по термоядерной проблеме были рассекречены еще в 1956 г. после знаменитого доклада И.В. Курчатова в английском атомном центре Харуэлле. С 1986 г. при участии стран Европейского сообщества, Японии, России и США ведется проектирование Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). Позднее к проекту присоединились Китай, Южная Корея и Индия. В 2001 г. разработка проекта была завершена, а в 2005 г. завершились переговоры о выборе места для его строительства. Крупнейший в истории человечества научный проект стоимостью около 15 млрд евро будет реализован во Франции в районе Марселя. Ориентировочный срок окончания строительства – 2020 год. Финансовый вклад Европейского союза составит 45,5 %, а всех остальных участников, в том числе и России, по 9,1 %.
