Текст книги "Нефть XXI. Мифы и реальность альтернативной энергетики"

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 %.

Размер спроектированного реактора (рис. 12) – более 20 метров в диаметре при 30-метровой высоте. Ток в плазме должен достигать 15 млн А, а температура дейтерий-тритиевой плазмы должна достигать ~150 млн градусов, что почти в десять раз выше температуры в центре Солнца. Магнитное поле, удерживающее плазму, будет создаваться самым большим в мире сверхпроводящим магнитом. Термоядерная мощность установки 1000 МВт будет поддерживаться в течение 400 секунд, а со временем – в течение 3000 секунд. Это даст возможность проводить первые реальные исследования физики термоядерного горения в плазме. Считается, что после создания и проведения в течение 12–15 лет исследований на ИТЭР следующим шагом станет строительство в 40-х годах уже демонстрационной термоядерной установки.

Рис. 12. Международный термоядерный реактор

Также будет построена и начнет работать международная лаборатория для испытания материалов, используемых в термоядерном реакторе. Затем появится демонстрационная энергетическая установка для производства электроэнергии (DEMO). Программа испытаний материалов должна быть запущена параллельно с ИТЭР, чтобы своевременно были получены характеристики материалов для демонстрационной установки.

Разработка проекта ИТЭР дала возможность достоверно оценить уровень безопасности термоядерного реактора, практически вся радиоактивность которого сосредоточена в его конструкционных материалах и бридере (размножителе топлива). Она несопоставимо ниже, чем у атомного реактора. Выброс радиоактивности из термоядерного реактора при любой аварии столь мал, что их можно будет строить в густонаселенных районах и окрестностях больших городов, и даже попытка проведения террористических акций против термоядерных электростанций с целью нанесения ущерба населению становится бессмысленной.

На единицу термоядерного топлива вырабатывается в 10 млн раз больше энергии, чем при сжигании органического топлива, и в 100 раз больше, чем при расщеплении урана в реакторах атомных электростанций. Оптимисты надеются, что демонстрационный термоядерный реактор будет создан уже в середине текущего века. Это означает, что реально для массового потребителя термоядерная энергия станет доступной не ранее конца столетия. Поэтому перед человечеством стоит серьезнейшая проблема – найти энергоресурсы, способные заполнить промежуток длиной почти в столетие до практического освоения термоядерной энергии. Цена неудачи в решении глобальной энергетической проблемы очень высока – неизбежное снижение уровня жизни населения Земли, а возможно, и сокращение его численности.

Глава 2. Ископаемые источники энергии

Пока человечество практически полностью зависит от ископаемых источников энергии, и эта зависимость будет продолжаться минимум до конца текущего столетия, а может быть и дольше. Попытки представить ситуацию таким образом, что в нашем распоряжении есть какие-то альтернативные источники энергии, способные заменить ископаемое топливо, и необходимо лишь приложить некоторые усилия для их практического освоения, как будет показано ниже, абсолютно несостоятельны. В лучшем случае эти источники способны немного отсрочить период истощения ископаемых ресурсов, но не более. К сожалению, взять на себя полностью ту нагрузку, которую несет сейчас традиционная энергетика на основе ископаемого топлива, они в принципе не в состоянии. Поэтому принимая во внимание, как это теперь уже очевидно, неизбежно длительный период перехода от традиционной энергетики к энергетике термоядерной, необходимо тщательно оценивать имеющиеся в нашем распоряжении природные ресурсы и планировать их рациональное использование. Так на что мы можем сейчас реально рассчитывать?

2.1. Нефть – фундамент современной высокомобильной цивилизации

Нефть сейчас, безусловно, является важнейшим природным ресурсом, определяющим состояние не только всей мировой экономики, но и в значительной степени мировой геополитической ситуации. Цена нефти – важнейший индикатор, отражающий текущее состояние мировой экономики. Уникальность нефти как энергетического и нефтехимического ресурса в том, что благодаря своему жидкому агрегатному состоянию и высокому удельному энергосодержанию она обеспечивает наиболее высокую рентабельность при добыче, транспортировке и использовании по сравнению со всеми остальными известными нам ископаемыми источниками энергии. Кроме того, нефть относительно легко и просто перерабатывать, а спектр получаемых из нее продуктов огромен. И в этом отношении с ней не могут сравниться ни газ, ни уголь, ни какие-либо другие источники энергии. Поэтому, как только были освоены технологии промышленной добычи и переработки нефти, она очень быстро заняла доминирующие позиции в мировой энергетике. В 1970—80-е годы ее доля в мировом энергобалансе доходила почти до 50 % (рис. 13).

Рис. 13. Эволюция структуры мирового энергопотребления

Благодаря своим очевидным достоинствам нефть достаточно быстро даже по современным темпам индустриального развития вытеснила из энергетики и коммунального сектора такие старые источники, как дрова и уголь. И сейчас с большим трудом уступает свои позиции природному газу и другим источникам энергии. Единственная причина, по которой нефть понемногу сдает сейчас свои позиции, это ограниченность ее ресурсов. Хотя до сих пор продолжаются споры между сторонниками органической и неорганической теорий происхождения нефти, большая часть ее разрабатываемых ресурсов, видимо, имеет все-таки биогенное происхождение. Поэтому можно считать, что сейчас мировая энергетика существует за счет своеобразных «энергетических консервов», приготовленных нам биосферой примерно за 300 млн лет эволюции начиная с каменноугольного периода. Эти ресурсы громадны, но современная скорость их потребления в миллион раз превышает скорость процессов их естественного формирования в земной коре. За один год человечество расходует запасы, на образование которых природе потребовался примерно миллион лет. Поэтому со временем эти ресурсы неизбежно будут исчерпаны.

О том, что время истощения традиционных нефтяных ресурсов уже достаточно близко, явно свидетельствует падение темпов открытия новых гигантских месторождений нефти (рис. 14). Представленная диаграмма показывает, что пик открытий давно пройден, и мы уже не можем рассчитывать на появление большого числа новых крупных месторождений, составляющих основу современной промышленной добычи нефти. А основной объем добываемой сейчас нефти мы получаем за счет эксплуатации тех месторождений, которые были открыты десятки лет тому назад (рис. 15).

Рис. 14. Доля вновь открываемых гигантских месторождений нефти относительно известных резервов

Рис. 15. Мировая добыча нефти по датам открытия разрабатываемых месторождений (2012. The Outlook for Energy: A View to 2040)

В результате сокращения ресурсов поддержание уже практически не растущего мирового уровня добычи нефти требует все более высоких затрат, т. е. каждый следующий баррель добытой нефти обходится мировой экономике все дороже и дороже. Так, за примерно 30 лет, предшествующие 2003 году, при росте мирового объема добычи нефти всего на ~60 % затраты на ее добычу в фиксированных ценах выросли почти в 17 раз. По последним данным, мировой объем затрат на добычу нефти достиг в 2013 г. 700 млрд долл. в год. Это является одной из объективных причин постоянного и, увы, неизбежного удорожания нефти и нефтепродуктов на мировом рынке. Эпоха легкодоступной и дешевой нефти уже завершилась.

Тенденция к удорожанию нефтяных ресурсов отражается и на отечественной нефтедобыче, тем более что основные отечественные ресурсы нефти, расположенные в удаленных и труднодоступных, практически арктических регионах, и без того являются самыми дорогими в мире, уступая по себестоимости лишь канадской битуминозной нефти (рис. 16). Стоимость их добычи в два раза превышает среднемировую и примерно в 6–7 раз – стоимость добычи нефти на Ближнем Востоке. Кроме того, необходимо учитывать, что стоимость транспортировки российской нефти на мировые рынки также примерно в два раза превышает среднемировую. Поэтому прибыль от продажи российской нефти значительно ниже, чем ближневосточной, что делает крайне актуальным вопрос о переходе от ее экспорта к переработке непосредственно в России в более ценные продукты с высокой добавленной стоимостью. Надо учитывать и то, что обладая всего 6 % разведанных мировых запасов традиционной нефти (7-е место в мире по разведанным запасам), при нынешних темпах их добычи и низком объеме геологоразведочных работ Россия рискует уже в ближайшем будущем утратить лидирующие позиции в мировой нефтедобыче.

Рис. 16. Себестоимость добычи нефти в различных регионах мира. Ширина столбца соответствует доле в мировом производстве. (Источник: M. Radler. Deutsch Bank analyzes oil production costs. O&GJ. 2009. Mar. 16. P. 38)

Широко обсуждаемый в последние годы вопрос об общем объеме остающихся мировых ресурсов нефти является скорее технологическим, чем геологическим вопросом. Безусловно, в земной коре еще остаются неоткрытые месторождения жидких углеводородов, но их объем вряд ли велик. Гораздо больший интерес представляет разработка уже известных, но трудно извлекаемых ресурсов, расположенных в глубоководных морских акваториях, или представленных различными видами трудноизвлекаемой или тяжелой нефти. Рисунок 17 схематически показывает, что помимо расширения объема ресурсов за счет геологоразведки на количество потенциально извлекаемой из недр нефти влияют такие важнейшие факторы, как ее рыночная стоимость и прогресс в технологиях добычи. Рост инвестиций в технологии добычи нефти и применение новейших технологических достижений может значительно увеличить общую отдачу месторождений и, тем самым, ресурсы нефти, реально доступные мировой экономике.

Рис. 17. Факторы, определяющие извлекаемые ресурсы нефти

Что касается конкретного периода истощения нефтяных ресурсов, то различные прогнозы сильно различаются между собой (рис. 18). Наиболее реалистические прогнозы предсказывают достижение пика добычи, с учетом использования всех нетрадиционных и трудноизвлекаемых разновидностей нефти, в течение одного-двух ближайших десятилетий, с последующим плавным снижением ее добычи, замедляемым за счет появления новых технологий, повышающих отдачу пластов. На явное приближение мировой добычи нефти к своему пику свидетельствуют и крайне низкие, несмотря на острую потребность в ней и постоянный рост затрат на добычу, темпы ее роста, всего примерно 0,5 % в год.

Рис. 18. Различные прогнозы мировой добычи нефти (Мауджери, 2009)

Многие нефтедобывающие страны мира уже прошли пик своей добычи, а в большинстве остальных период его достижения оценивается всего несколькими годами. Только в 20-ти ведущих нефтедобывающих странах прогнозируемое время полного истощения ресурсов (отношения общих ресурсов к годовому объему добычи) превышает 20 лет.

Конечно, существуют еще огромные так называемые «нетрадиционные» ресурсы нефти, представленные в основном трудноизвлекаемыми и тяжелыми углеводородами, а также глубоководные и арктические ресурсы. Однако стоимость их извлечения и необходимые для этого затраты энергии столь велики, что далеко не всегда их добыча может быть экономически оправдана. Представленные на рисунках примеры современных технологий нефтедобычи наглядно демонстрируют всю сложность и затратность этих процессов. Мы никогда не сможем извлечь всю нефть, содержащуюся в земной коре, потому что начиная с определенного уровня сложности ее извлечения только энергетические затраты на добычу становятся сопоставимыми с энергосодержанием добываемой нефти. Так, если при добыче традиционной нефти затраты энергии на обеспечение процесса ее добычи и подготовки соответствуют всего примерно 3 % ее объема, то при добыче тяжелой нефти из битуминозных песчаников уже более 20 % добываемой нефти уходит на энергетическое обеспечение самого процесса ее добычи и подготовки. Поэтому любое падение цен на нефть на мировом рынке ниже уровня 50–60 долл./баррель ставит добычу нефти из этих источников, организация которой требует огромных капиталовложений, в крайне сложное положение, фактически на грань рентабельности.

Рис. 19. Стадии переработки битуминозных песчаников: а) битуминозный песчаник; б) экстрагированный битум; в) синтетическая нефть; г) остаток – песок и глина

Рис. 20. Глубоководная добыча нефти

Прогнозная оценка технически извлекаемых запасов сланцевой нефти (рис. 21) и других ее нетрадиционных ресурсов показывает, что хотя эти запасы и велики, но явно несоразмерны тем огромным потребностям в энергии, которые будут необходимы человечеству уже в ближайшем будущем. Поэтому нефть, оставаясь самым удобным и привлекательным источником энергии, тем не менее постепенно вынуждена сдавать свои позиции.

Рис. 21. Прогнозная оценка технически извлекаемых запасов сланцевой нефти в различных странах (Источник: Энергетическое информационное агентство (EIA), США)

2.2. Новый лидер – природный газ

Что же может прийти на смену нефти? Далее мы более подробно обсудим различные источники энергии, имеющиеся в распоряжении человечества, но по объемам запасов пока только два из них – газ и уголь – способны играть такую же роль в мировой энергетике, какую играет сейчас нефть. В настоящее время природный газ рассматривается как наиболее обильный и динамично развивающийся энергетический ресурс. В то время как мировое потребление нефти уже практически достигло своего пика, мировое потребление природного газа продолжает быстро расти (рис. 22).

Рис. 22. Относительные темпы роста мирового потребления нефти и газа (1980 г. = 1)

Основные геологически доказанные запасы традиционного природного газа сосредоточены в двух регионах мира – странах СНГ и на Ближнем Востоке (рис. 23).

Рис. 23. Доказанные на начало 2015 г. запасы природного газа в 10 ведущих по запасам странах мира

В качестве традиционных ресурсов природного газа рассматриваются залежи с минимальными запасами 0,1 млрд м³ и начальным дебитом скважин более 30 тыс. м³/сут. Полное число месторождений с залежами свободного газа в мире превышает 17 000 и в более 30 000 чисто нефтяных месторождений газ присутствует в виде второстепенного компонента (нефтяной или попутный газ).

Из 4500 наиболее крупных месторождений природного газа лишь несколько десятков, составляющих примерно 2 % от их общего числа, относятся к категории крупных месторождений, дающей основной вклад в поставки товарного природного газа для энергетики и химической переработки (рис. 24). Большая часть известных месторождений при существующих технологиях транспортировки и переработки природного газа может использоваться лишь для удовлетворения местных потребностей.

Рис. 24. Распределение традиционных газовых месторождений мира по величине запасов

Мировой газовый потенциал (начальные потенциальные ресурсы традиционного природного газа) оценивается различными источниками величинами от 350–420 трлн м³ (осторожные оценки) до 500–550 и даже до 1000 трлн м³ (Скоробогатов, Старосельский, Якушев, 2000). Согласно статистическим данным, более 90 % выявленных в мире залежей нефти и газа сосредоточено на глубинах до 3 км. Разведанность этого слоя очень высока, поэтому в будущем здесь будут открываться преимущественно мелкие залежи углеводородов. К сожалению, современные технологии добычи, транспортировки и использования углеводородных ресурсов, ориентирующиеся, прежде всего, на ресурсы крупнейших месторождений, практически не учитывают это обстоятельство.

Россия является страной, наиболее обеспеченной ресурсами природного газа. Около четверти доказанных (рис. 25) и более 40 % вероятных ресурсов традиционного природного газа приходится на территорию России. Именно это национальное богатство делает Россию великой энергетической державой XXI века. Несмотря на явное снижение темпов открытия новых месторождений традиционного природного газа в России, в немалой степени и из-за недостаточного объема в предыдущие годы геологоразведочных работ, она еще продолжительное время будет оставаться крупнейшим мировым производителем и экспортером газообразных ресурсов (табл. II).

В десятке крупнейших мировых производителей природного газа на протяжении многих десятилетий с огромным отрывом доминируют Россия и США. Благодаря сланцевой революции в добыче природного газа США в последние три года опередили Россию по объему его годовой добычи, однако объем потенциальных ресурсов позволяет России со временем вернуть лидерство. Основные нефтегазодобывающие регионы России с указанием примерных объемов ежесуточной добычи нефти и газа и их доли в общероссийской добыче показаны на рис. 25.

Рис. 25. Основные нефтегазодобывающие регионы России

Максимальные темпы прироста традиционных ресурсов природного газа, так же, как в свое время и ресурсов нефти, были достигнуты в 70-х годах прошлого века. А в начале текущего столетия, с задержкой примерно в 15 лет по сравнению с нефтяной отраслью, темпы мировой добычи традиционного природного газа сравнялись с темпом открытия новых крупных месторождений. То есть добыча традиционного газа также приближается к своему пику. Но в последние годы большое внимание стали привлекать гигантские ресурсы нетрадиционных видов природного газа. В первую очередь это связано с тем, что были разработаны новые технологии извлечения этих ресурсов. Это позволяет рассматривать огромные ресурсы нетрадиционного природного газа как реально доступный резерв развития мировой энергетики. Но прежде чем перейти к обсуждению этих новых ресурсов, очень коротко рассмотрим, как вообще образуются в земной коре нефть и природный газ.