Экономика ядерной энергетики

Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. Краткий конспект лекций по дисциплине «Экономика ядерной энергетики» Аннотация конспекта лекций Энергетика является одной из самых крупных наукоемких отраслей реального сектора экономики. Энергетика и, в особенности ядерная энергетика, находится в фокусе естествознания, экономики и политики. В конспекте приведены простейшие аналитические методы оценки взаимосвязей между важнейшими инженерно-экономическими параметрами энергетических установок и бизнес-процессов, влияющих на принятие решений. В лекциях много цифр, графиков, диаграмм, поскольку «деньги любят счет». Известный физиктеоретик Я.И. Френкель говорил, что работа физика похожа на работу карикатуриста: тот и другой пытаются простейшими средствами создать узнаваемые образы человека или природы. Так и в энергетике «инженерно-экономические карикатуры» помогают выявить наиболее яркие и глубокие взаимосвязи между физикой, экономикой и политикой. Конспект включает 8 лекций: Лекция №1. Потребности в энергии и социально-экономическая роль ядерной энергетики Лекция №2. Энергетические ресурсы и прогнозы развития ядерной энергетики Лекция №3. Эффективность инвестиций в энергетику и стоимость электроэнергии Лекция №4. Методы и эффективность преобразования энергии Лекция №5. Экономика передачи энергии на расстояние Лекция №6. Основные типы энергетических ядерных реакторов Лекция №7. Основы экономики ядерного топливного цикла Лекция №8. Конкурентоспособность ядерных реакторов нового поколения Конспект подготовлен на основе многолетнего опыта преподавания в Экономикоаналитическом институте МИФИ, включенном в факультет «Управление и экономика высоких технологий» НИЯУ МИФИ. Автор будет признателен всем, кто пришлет свои замечания и предложения по содержанию данного курса. 1 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. Лекция № 1. Потребности в энергии и социальноэкономическая роль ядерной энергетики Содержание 1.1. Понятия энергии, работы и мощности 1.2. Топливно-энергетический комплекс 1.3. Энергетика и валовый внутренний продукт 1.4. Динамика потребления энергии 1.5. Энергетика, экология и климат 1.6. Закономерности экспоненциального роста 1.7. Пределы роста Заключение Список литературы Упражнения и задачи к лекции 1 1.1. Понятия энергии, работы и мощности Слово «энергия» происходит от греческого energeia – действие, деятельность. Благодаря открытию в середине XIX в. закона сохранения и преобразования энергии понятие энергии связывает воедино все явления природы. Энергия не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе (Р. Фейнман). Изучению законов преобразования энергии уделяется большое внимание в физике, химии и других естественных науках. Особую роль здесь играет научная дисциплина «Термодинамика». В международной системе единиц СИ (System International) за единицу измерения энергии принят джоуль (Дж). Джоуль выражается через основные величины СИ (длина - м, масса - кг, время - с): Дж=кг·м2/с2. В литературе встречается множество внесистемных единиц измерения энергии: 1 кал = 4,187 Дж; 1 кВт·ч=3,6 МДж; тонна нефтяного эквивалента (т н.э.)= 41,868 ГДж; электрон-вольт эВ=1,6•10-19 Дж и др. (1 МДж=106 Дж; 1 ГДж=109 Дж); В энергетике наряду с энергией важными понятиями являются теплота, работа и мощность. Теплота и работа – это две различные формы передачи энергии от одного тела к другому. Теплота и работа измеряются в тех же единицах, что и энергия (энергию можно 2 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. рассматривать как меру способности производить работу). Скорость передачи (преобразования) энергии называют мощностью. Единицей измерения мощности в международной системе единиц СИ определен 1 ватт: 1 Вт = 1 Дж/с (джоуль за секунду). Исторически одной из первых единиц измерения энергии была лошадиная сила (л.с.): 1 л. с. = 0.7355 кВт. 1.2. Топливно-энергетический комплекс Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) – это часть народного хозяйства, включающая в себя всю совокупность предприятий, установок и сооружений, а также связывающих их хозяйственных отношений, которая обеспечивает добычу природных энергоресурсов и функционирование всей цепочки их преобразования до конечных установок потребителей энергии. В зависимости от стадии преобразования энергии в ТЭК принято различать первичную энергию, подведенную и конечную. Иногда две последних называют вторичной энергией. Первичная энергия представляет собой энергию, заключенную в извлекаемых непосредственно из окружающей среды энергетических источниках. Т.е. первичная энергия - это 1) тепловой эквивалент (теплосодержание) добытых угля, сырой нефти, природного газа, урана, собранной биомассы; 2) кинетическая энергия речной воды или ветра; 3) энергия солнечного излучения; 4) тепловая энергия горячей воды или пара, извлекаемых из глубин Земли. Первичная энергия на энергетических предприятиях ТЭК преобразуется в подведенную или вторичную энергию (вторичные энергоносители), которая доводится до потребителя в форме 1) электрической энергии, 2) жидкого, газообразного и твердого топлива (бензин, мазут, угольные брикеты, водород и др.) или 3) пара и горячей вода. Конечная энергия – форма энергии, непосредственно применяемая в производственных, транспортных или бытовых целях. Обычно выделяют четыре вида конечной энергии: электрическую, тепловую, механическую и химическую. ТЭК страны имеет многочисленные функциональные связи со смежными отраслями народного хозяйства. В составе ТЭК различают четыре основные части (подсистемы): 1) топливодобычу и топливоснабжение, 2) преобразование и генерирование энергии, 3) транспорт энергии, 4) потребление энергии в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в обогревающих и отопительных устройствах, в быту и т.д. В структуре электроэнергетика, ТЭК важное место для централизованное жизнеобеспечения теплоснабжение 3 и людей занимают теплофикация. Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. Электроэнергетика – часть ТЭК, обеспечивающая производство и распределение электроэнергии (и тепла). Электроэнергия производится на электростанциях: тепловых (ТЭС), атомных (АЭС) и гидроэлектростанциях (ГЭС), а также на солнечных, ветряных, приливных и иных электростанциях. Главной особенностью производства электрической энергии является невозможность накапливать ее в значительных количествах, так как нет рентабельных крупных аккумуляторов электричества. Невозможность «работы на склад» порождает жесткую связь производства и потребления электроэнергии во времени (суточные и сезонные графики потребления). В каждый момент времени электростанция должна производить столько электроэнергии, сколько ее потребляется в тот же момент времени. 1.3. Энергетика и валовый внутренний продукт Ведущая роль в развитии всех отраслей народного хозяйства, в росте благосостояния людей принадлежит энергетике. Надежность и стабильность снабжения энергией лежат в основе национальной стабильности. безопасности, Энергетика является экономического процветания существенным источником и глобальной формирования национального дохода. Биологическая (мускульная) мощность человека составляет 2–3 тыс. ккал/сут ≈ 100–150 Вт, т.е. находится на уровне мощности средней электрической лампочки. Благодаря развитию энергетики среднее годовое потребление энергии на душу населения в мире составляет приблизительно 3 кВт/чел., т.е в 20-30 раз больше «биологической мощности» человека. Потребление энергии на душу населения иногда называют «энерговооруженностью». В экономически наиболее развитых странах энерговооруженность составляет 6–12 кВт/чел. при годовом валовом внутреннем (национальном) продукте (ВВП) 20–40 тыс. дол./год∙чел. В странах с меньшим производством энергии и ВВП меньше, и меньше продолжительность жизни людей. аловой внутренний продукт (ВВП, англ. Gross Domestic Product - GDP) — макроэкономический показатель, отражающий рыночную стоимость всех конечных товаров и услуг, предназначенных для непосредственного употребления и произведённых за год во всех отраслях экономики на территории государства. 4 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. 1.4. Динамика потребления энергии За последние 160 лет годовое потребление энергии в мире выросло почти в 100 раз с ежегодным приростом около 2 %/год, достигнув 510 ЭДж/год в 2010 г. (1 ЭДж=1018 Дж). Энерговооруженность человека выросла за это время почти в 5 раз: с 0,53 до 2,4 кВт/чел. В России с 1913 г. по 1991 г. добыча угля возросла в 80 раз, добыча нефти – в 270 раз, добыча газа – более чем в 30 тысяч раз. Мировые потребности в электроэнергии возрастали опережающими темпами – до 5-7%/год, поскольку электроэнергия легко преобразуется в свет, тепло, механическую энергию, и она точно измеряется и контролируется. Некоторые специалисты склонны судить об «уровне цивилизованности страны» по душевому потреблению именно электроэнергии, несмотря на большие потери при ее производстве. Крупнейшими в мире странами-производителями электроэнергии являются США и Китай, вырабатывающие по 20 % от мирового производства, и уступающие им в 4 раза Япония, Россия, Индия. В целях обеспечения энергетической безопасности и снижения экономических рисков важна диверсификация источников энергии для производства электричества. «Разнообразие источников энергии – краеугольный камень зрелой энергетики». В мире в целом примерно по 15-17 % производства электроэнергии приходится на газ, гидроэнергию и ядерное топливо. Наибольшее количество электроэнергии (≈39 %) производится за счет сжигания угля. 1.5. Энергетика, экология и климат Экология в переводе с древнегреческого языка - наука о доме. Дом - это наша Земля, вся наша планета. Она для нас - среда обитания, которую мы хотим видеть безопасной. Одновременно с развитием энергетики возросло ее влияние на окружающую среду. Возросли площади карьеров и изъятых из земледелия и лесоразведения земель, выбросы в атмосферу пыли и токсичных газов, твердые отходы, сбросы тепла, электромагнитные поля линий электропередач и др. Энергетика ответственна примерно за 55 % загрязнения отходами и 70 % теплового загрязнения атмосферы. С выбросами в атмосферу двуокиси (диоксида) углерода СО2, окислов серы и азота (и ряда других веществ) при сгорании углеводородного топлива связывают развитие таких негативных глобальных экологических явлений как «закисление осадков», «парниковый эффект» и «истощение озонового слоя Земли». Так, 5 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. уровень СО2 в атмосфере планеты в 2010 г. составил 430 ppm (430 молекул углекислого газа на 1 млн. молекул кислорода). Если все пойдет без изменений, то к 2035 г. будет 550 ppm. Это приведет к тому, что температура Земли в среднем может повыситься на 2°С, а к концу XXI века, с вероятностью 50% — на 5°С. Эти изменения имеют вполне конкретные отрицательные экономические и социальные последствия. По некоторым оценкам уже к 2020 г. климатический фактор может сократить мировой ВВП на 20%. В 1992 г. в Рио-деЖанейро представителями более чем 150 государств была подписана Рамочная Конвенция ООН по предотвращению катастрофических антропогенных изменений климата и устойчивому развитию. На долю АЭС приходится ничтожная доля вредных выбросов – около 0,01%. Энергетика может оказать серьезное влияние на климат. Но и климатические и географические условия оказывают существенное влияние на развитие энергетики и экономики. Около 95% территории России расположены севернее широты, по которой проходит северная граница США (широта Ростова-на-Дону). Сравнительно приемлемые агроклиматические условия характерны для малой части территории страны, где и сосредоточена основная часть населения. В высокоширотных и восточных районах нормальное товарно-рыночное производство, как правило, нерентабельно. Причина – возрастание затрат до семи раз по сравнению с районами массового проживания людей. Однако именно в высокоширотных и восточных районах находится 60–95% важнейших ресурсов России – энергоносителей, редких металлов, драгоценных камней, золота, леса. Особенно неблагоприятны здесь условия добычи энергоносителей, которые не относятся к продукции с высокой удельной стоимостью как золото или драгоценные камни. Кроме того, внутриматериковое, расположение отдаленное месторождений на тысячи километров энергоресурсов от районов обусловливает потребления, неизбежность транспортировки нефти и газа почти целиком по суше – трубопроводами. На долю северотюменской нефтегазовой провинции пришлось 96% общероссийского объема газодобычи и около 70% нефтедобычи. Как только Россия вступила на рыночный путь – сразу дали о себе знать ее географические особенности, ставшие одной из главных причин превышения внутрироссийских цен на ряд материалов над мировыми. Выход из этой российской энергоэкономической проблемы был начат в 1970-х гг., когда был взят курс на высокие энерготехнологии – ядерные. Их экономические показатели не зависят ни от климата, ни от места использования. АЭС как бы предрасположены именно к уникальным географическим особенностям России. Топливная составляющая электроэнергии АЭС в несколько раз меньше, чем на тепловых электростанциях (см. Лекции 3 и 8). 6 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. 1.6. Закономерности экспоненциального роста Основные характеристики мировой системы – численность населения, производство продуктов питания, индустриализация, загрязнение окружающей среды, потребление природных ресурсов, производство электроэнергии и ВВП – возрастали десятилетиями с приблизительно постоянным ежегодным относительным приростом, то есть практически по экспоненциальному закону: W (t )  W0 e kt . В «полулогарифмических координатах» (рис.1) экспонента имеет вид линейной функции от времени: lnW(t)=lnW0+kt. Сравнивая эту зависимость с экспериментальными (статистическими) данными, легко определить темп k роста W(t) (ВВП, установленной мощности АЭС и т.п.). Определим связь темпа экспоненциального роста k с относительным приростом за некоторый период времени Δt (обычно за год): W W (t  t )  W (t )   exp( kt )  1. W W (t ) (1.1) Как видно, величина относительного прироста не зависит от текущего момента времени t, а только от периода Δt наблюдения за изменением (обычно Δt=1 год). Из последнего выражения для типичного случая kΔt<<1 находим удобную взаимосвязь k 1  W    t  W  (1.2) Как видно, темп k экспоненциального роста ВВП (или числа ядерных реакторов и т.п.) численно равен ежегодному относительному приросту ΔW/W. Рис.1. Графики экспоненциальной зависимости роста ВВП (установленной мощности электростанций и т.п.). Часто в литературе встречается такой параметр, как период удвоения Т2. Это такой период времени, за который величина W (например, ВВП или установленная мощность 7 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. системы АЭС и т.п.) возрастает в два раза, т.е. W(t + Т2) = 2W(t) при любом t. Для экспоненциального роста получаем W0·exp(kt+kT2)=2W0·exp(kt), откуда следует exp(kT2)=2 и согласно (1.2) T2  W Т 2  69 % W t ln 2 ; k (1.3) Как видно, произведение «ежегодного относительного прироста» (в %/год) на «время удвоения» (в годах) составляет величину около 69 %, поскольку ln2=0,693. Так, при ежегодном относительном приросте ВВП ΔW/W = 1%/год период удвоения ВВП равен Т2 = 69 лет, то есть «страна станет богаче вдвое» через почти 70 лет. При ΔW/W = 10%/год получаем Т2 = 6,9 лет. Периоду удвоения 10 лет соответствует ежегодный прирост ≈7 %/год. Экспоненциальный рост опасен тем, что может очень быстро, как бы внезапно, генерировать огромные числа. Однако, экспоненциальный рост характерен для условий, когда отсутствуют ограничения на источники роста. В условиях ограничения ресурсов для роста чаще говорят о «логистическом росте», при котором экспоненциальный рост постепенно замедляется так, что рассматриваемая величина, например потребление энергии, асимптотически стремится к некоторому пределу, или даже уменьшается, если исчерпывается ресурс роста (см. ниже п.1.7 и Лекцию 2). 1.7. Пределы роста Под названием «Пределы роста» в 1974 г. опубликован отчет группы ученых под руководством Д. Медоуза из Массачусетского технологического института США. Отчет выполнен по заказу Римского клуба – международной группы крупных бизнесменов, государственных деятелей и ученых. Требовалось исследовать причины и долговременные последствия роста численности населения, промышленного капитала, производства продуктов питания, потребления ресурсов и загрязнения окружающей среды. Чтобы проследить за этими взаимодействующими элементами экономической системы и спрогнозировать возможные пути их развития в будущем, была создана компьютерная модель World 3. Отчет вызвал сенсацию, был переведен на 35 языков мира и стал бестселлером. Газеты гласили: «Компьютер заглянул в будущее и содрогнулся». Расчеты показали, что в первой половине ХХI в. объем промышленного производства на душу населения, растущий по экспоненциальному закону, превысит вдвое уровень 1990 г., достигнет максимума и начнет резко уменьшаться. Более крупное промышленное производство в большей степени загрязняет окружающую среду и потребляет больше ресурсов. Загрязнение снижает урожайность 8 сельскохозяйственных культур. Для Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. поддержания необходимого уровня производства продуктов питания сельскохозяйственный сектор требует дополнительных капиталовложений. Исчерпание ресурсов, загрязнение среды и снижение качества питания приведут к драматическому снижению численности населения, начиная с 2050 г., причем так, что через несколько десятилетий упадет до уровня «бронзового века». «Идеи пределов, устойчивости, достаточности, равенства и эффективности – это не барьеры, не препятствия, не угрозы. Они ведут к новому миру. Устойчивость, а не все более совершенное оружие или борьба за власть и материальные блага – вот последний вызов энергии и творческим способностям рода человеческого» – таков вывод авторов отчета Римскому клубу. Современная цивилизация достигла уровня развития, на котором рост производства фактически во всех отраслях хозяйства способен осуществляться только в условиях прогрессирующей экономики без привлечения дополнительных ресурсов и энергии. Человечество «может жить в два раза богаче, расходуя лишь половину ресурсов». Заключение к лекции 1. Ведущая роль в развитии всех отраслей народного хозяйства, в росте благосостояния людей принадлежит энергетике. Надежность и стабильность снабжения энергией лежат в основе национальной безопасности, экономического процветания и глобальной стабильности. Поэтому энергетика и, в особенности ядерная энергетика, находится в фокусе естествознания, экономики и политики. Ядерная энергетика является составной частью топливно-энергетического комплекса страны, участвуя в основном в производстве электроэнергии. В мире на АЭС вырабатывается около 15% всей электроэнергии. Энергетика является существенным источником формирования национального дохода. Чем выше энерговооруженность в стране (потребление энергии на душу населения), тем выше благосостояние (ВВП) и продолжительность жизни граждан. За последние 160 лет годовое потребление энергии в мире выросло почти в 100 раз с ежегодным приростом около 2 %/год, достигнув более 510 ЭДж/год. Энергетика оказывает серьезное влияние на экологию и климат. На долю АЭС приходится ничтожная доля вредных выбросов – около 0,01%. Но и климатические и географические условия оказывают существенное влияние на развитие энергетики и экономики. Основные характеристики мировой системы – численность населения, производство продуктов питания, индустриализация, загрязнение окружающей среды, потребление 9 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. природных ресурсов, производство электроэнергии и ВВП – возрастали десятилетиями с приблизительно постоянным ежегодным относительным приростом, то есть практически по экспоненциальному закону. Однако, в условиях ограничения ресурсов возникает проблема пределов роста, когда потребление энергии асимптотически стремится к некоторому пределу, или даже уменьшается, если исчерпывается ресурс роста. В международной системе единиц СИ единицей измерения энергии, теплоты и работы служит Джоуль (Дж), а мощности – Ватт (Вт=Дж/с). Список литературы к лекции 1 А) Основная литература 1. Харитонов В.В. Энергетика. Технико-экономические основы: Учебное пособие. – М.: МИФИ, 2007. – 256 с.+ илл.72 с. 2. Синев М.Н. Экономика ядерной энергетики: Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. Экономика АЭС: Учеб. пособие для вузов. – 3-е изд. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 480 с. Б)Дополнительная литература 1. Болятко В.В., Ксенофонтов А.И., Харитонов В.В. Экология ядерной и возобновляемой энергетики: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. -264 с. +илл. 28 с. 2. Велихов Е.П., Гагаринский А.Ю., Субботин С.А., Цибульский В.Ф. Энергетика в экономике XXI века. - М.: ИздАт, 2010. – 176 с. 3. Медоуз Д.Х., Рандерс Й., Медоуз Д.Л. Пределы роста. 30 лет спустя. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007.-342 с. Упражнения и задачи к лекции 1 1.Ядерный реактор ВВЭР-1000 работает на постоянной мощности W в течение τ=292 суток в году (остальное время 365-292=73 сут. простаивает для перегрузки топлива и плановопредупредительного ремонта). Какова годовая выручка R (руб/год) блока АЭС с реактором ВВЭР-1000 от продажи электроэнергии при цене отпускаемой электроэнергии Ц=1.5 руб/кВт·ч ? № п/п 1 2 3 4 Ответ 438 10.5 10.5 28.8 млн. руб./год млрд. руб./год млн. руб./год млн.руб./сутки 2.Сколько электроэнергии выработают за год все АЭС России (Е, кВт·ч/год), если их установленная электрическая мощность W= 25 ГВт, а средняя величина КИУМ=0,8? 10 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. Отметьте все правильные ответы (в году 365 суток). № п/п 1 2 Ответ 20 ГВт·год/год 175 млрд.кВт·ч/год 3 7,3 млн. МВт·сут/год 4 1,75·1011 кВт·ч/год 3.Какова ежесуточная выручка всех АЭС России при отпускной цене за выработанную электроэнергию 1,5 руб/кВт·ч, если их установленная электрическая мощность W= 25 ГВт, а средняя величина КИУМ=0,8 ? Отметьте все правильные ответы. № п/п 1 2 3 4 Ответ 0,72 720 млн.руб/сут 600 млн.руб/сут 6 млрд.руб/сут млрд.руб/сут 4.Среднее душевое потребление энергии в мире в начале этого столетия составляло приблизительно 2 т.у.т./(чел·год). Эту величину можно выразить в других единицах измерения. Отметьте все правильные ответы (в году 365 суток). №п/п Ответ 1 14 Гкал 2 38400 ккал/ (чел·сут) 3 1,85 кВт/чел 4 1850 Дж/(чел·сек) 5 5,5 кг.у.т./(чел·сут ) 5.Каков должен быть ежегодный относительный прирост ВВП =W/W при удвоении ВВП за 2=10 лет? Принять экспоненциальный закон роста ВВП. Укажите верный ответ. А – 2%/год; Б – 10%/год; В – 14%/год; Г – 0,0718 год-1; Д – 7,18 %/год; Е - ≈6,93 %/год. 6.Потребление энергии человечеством растет примерно по экспоненциальному закону с темпом около k=3,3 %/год. Оцените во сколько раз потребление энергии за первые Δt=30 лет XXI века (ΔЕ) в этих условиях превысит потребление энергии человечеством (Е) за все время его существования до 2000 года. Напишите расчетные формулы и укажите правильные ответы. Изобразите графически решение задачи. .№ п/п 1 2 3 4 Ответ ΔЕ/Е=0,99 ≈1,7 0,099 1,69 7.Пусть две страны А и В развиваются экономически по экспоненциальному закону, то есть их годовой валовый внутренний продукт (ВВП) на душу населения изменяется с течением времени t по формулам WA(t)= W0Aexp(kAt), WB(t)= W0Bexp(kBt), где W0A и W0B – ВВП в начальный момент времени рассмотрения (t=0) в странах А и В; kA и kB – темпы развития экономики в странах А и В. За начало рассмотрения возьмем 2000 год, то есть время t отсчитывается от 2000 года. Пусть в начальный момент времени ВВП в стране В меньше, чем в стране А в е=2,72 раза (почти в 3 раза), то есть W 0A = е·W0B. Темп развития экономики страны А составляет kA = 0,02 1/год (то есть ежегодный относительный прирост около 2% в год как в США). Каким должен быть темп kB развития страны В, чтобы через t=20 лет она догнала страну А по величине ВВП на душу населения? Напишите расчетные формулы и укажите правильные ответы. Изобразите графически решение этой задачи. № п/п 1 2 3 4 -1 -1 Ответ kB =0,0272 год 0,07 1/год kB =2,72kA≈0,0544 год ≈14 %/год 11 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. 12