Варианты использования вторично возобновляемых источников энергии

Утилизация метана становится важнейшим вторичным ресурсом для промышленности.  Фото Reuters

Совпавшие по времени кризис в нефтяной отрасли и пандемия коронавируса не только оставят сильный отпечаток на уже сложившейся мировой энергетической системе, но и скорее всего вместе с уже существующими тенденциями окажут ощутимое влияние на перспективы ее переформатирования в будущем.

С одной стороны, есть нарастающий тренд уменьшения использования или даже отказа от традиционно ископаемых источников и перехода к массовому внедрению возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

С другой стороны, в условиях межтопливной конкуренции и ожидаемого экономического кризиса дешевые нефть и газ окажутся в более благоприятном рыночном положении, чем более дорогие в целом пока ВИЭ. Уголь тоже, судя по всему, не скоро уйдет с энергетических рынков.

Драйвер восстановления

Европейская комиссия уже сейчас заявляет, что ускоренный переход к зеленой энергетике на пути к реализации «зеленой сделки» до 2050 года будет одним из основных драйверов восстановления экономики союза. Пока не факт, что будет налицо необходимое финансирование, позволяющее желаемый прорыв в секторе. Так или иначе, эти факторы могут замедлить темпы более широкого внедрения ВИЭ, но тенденция в принципе не изменится, тем более что если «зеленая сделка» является региональной инициативой, то обязанности в рамках Парижского соглашения по климату и Целей ООН устойчивого развития имеют универсальный характер. На фоне этих дебатов в стороне остается не менее важный аспект, тоже сочетающий в себе экологию и энергетику. Это так называемые вторично возобновляемые источники энергии (ВВИЭ). В отличие от ВИЭ пока нет универсального и общепринятого определения этой категории, хотя исследователи и практики в этой области склонны рассматривать их достаточно широко, в том числе и как комбинацию отходов и вторичных (побочных) явлений, которые являются результатом использования первичных источников (в том числе и ВИЭ – солнца, воды, ветра).

Недооценка важности связанных с ВВИЭ аспектов, в том числе и с точки зрения энергоресурсов, на национальном и глобальном уровне крайне ошибочна.

Некоторые ВВИЭ, особенно те, которые относятся к отходам, представляют серьезную угрозу для эко- и биосферы на Земле. Этот вопрос как в России, так и в многих других странах мира уже приобрел статус комплексной и трансграничной проблемы. В то же самое время ВВИЭ имеют очень большой энергетический потенциал, сравнимый с потенциалом других источников энергии: например, 1 кг твердых бытовых отходов (ТБО) имеет энергетический потенциал в пределах около 0,3–1 кВт по электричеству и около 0,5–1,3 кВт по теплу.

Управление отходами само по себе уже представляет крупный хозяйственный сектор. В ЕС была принята концепция «иерархии отходов», где приоритет отдается рециклированию и вторичному употреблению (например, после ремонта) с доведением до минимума депонирования на свалках. Безусловно, это наиболее правильный подход, и он существенно сужает потенциал использования отходов в качестве ВВИЭ. Россия тоже пошла по такому пути, принимая в конце 2019 года важные решения на федеральном уровне в рамках «мусорной реформы».

Но на практике не все отходы можно рециклировать или вторично употребить, а их депонирование на свалках остается крайне нежелательным. В их число в первую очередь входят био- и другие опасные отходы. При помощи разных технологий эти остаточные количества все же можно превратить в энергию, попутно уменьшая ущерб, который наносился бы иначе окружающей среде.

Менее видимым остается и факт, что многие промышленные и бытовые объекты и процессы (даже и не связанные с энергетикой напрямую) сами по себе производят побочные процессы и явления, которые также можно использовать для замещения первичных источников.

В последнее время к ВВИЭ все чаще начинают относить и такие небиологические газы, как водород, СО2, аммоний и другие (биогаз, биоэтанол и прочие считаются, как правило, ВИЭ), и при дальнейшем развитии технологий их использования как зеленого энергоисточника их потенциал может оказаться сравнимым с потенциалом ВИЭ. В некоторых отношениях, например по линии возможности их хранения и транспортировки, они даже превосходят ВИЭ по возможностям применения.

Недостатки ВИЭ

Одним из основных критериев сравнения должна быть степень влияния использования ВВИЭ на природу в сравнении с ВИЭ. В принципе принято считать, что ВИЭ не оказывают негативного влияния на окружающую среду и людей и являются углеродонейтральными, но на практике до конца не изучены многие аспекты их применения.

Все чаще появляются исследования и утверждения, что, например, вторичные вихревые потоки ветрогенераторов влияют не только на миграцию птиц, но и на климат в целом путем нарушения естественных воздушных потоков и атмосферного давления, а гидрогенерация усугубляет баланс водных ресурсов и способствует в отдельных случаях засухе. Не до конца изучены и последствия покрытия огромных площадей солнечными панелями.

В вопросе с биотопливом также не все однозначно, особенно если учесть, что оно в основном производится из сельскохозяйственных культур, которые вместо этого можно направлять в особо бедные страны для решения вопросов борьбы с голодом и развития животноводства. Кроме этого, после переработки такого сырья все равно остается значительное количество отходов, чья утилизация увеличивает инвестиционные расходы, а некоторые из них даже имеют негативное воздействие на природу: их гниение, если не купируется, приводит к большему выделению парниковых газов.

Но более важный недостаток ВИЭ – это их ограниченность по времени и месту использования. На сегодняшний день не все PVs-технологии требуют для работы прямого солнечного света, все же их эффективность заметно падает при его недостаточности, например, в условиях облачности. Ночью эти технологии неприменимы, а системы аккумулирования энергии пока не достигли требуемых параметров минимальной эффективности и объема, что создает проблемы с диспетчеризацией и поддержанием энергетического баланса и устойчивости в сети.

Подобным образом обстоит и ситуация с ветряными и в большой степени с гидросооружениями (кроме ГАЭС).

Такая неритмичность требует наличия значительных резервных мощностей в рамках даже локальных систем. Происшедший два года назад black out в Германии, который ускоренно вводит ВИЭ за счет других источников, показал наглядно суть этой проблемы.

Кроме этого, ВИЭ пока не способны предоставлять значительную часть необходимой энергии в силу своих сравнительно небольших мощностей и пока относительно высокой инвестиционной цены на мегаватт-час, но, очевидно, это вопрос времени, чтобы ситуация изменилась в пользу ВИЭ (согласно докладу ВР, в 2019 году в мире энергия от ВИЭ обошла по объемам производства атомную).

Бесспорно, однако, то, что ВИЭ в целом являются источниками, которые не выделяют новые количества СО2 и другие парниковые газы в атмосферу и они неисчерпаемы, что значительно превосходит весь возможный негатив от их примемения.

Навоз получает все большее распространение в сфере выработки экологически чистой электроэнергии.  Фото Depositphotos/PhotoXPress.ru

Самыми распространенными на данные момент являются установки и сооружения, использующие термические процессы для сжигания или инсинерации отходов органического происхождения. На практике они являются или собственно тепловыми электростанциями (ТЭС), где отходы используются как частичное горючее, или работают на принципе ТЭС. Этот способ относительно недорогой и, хотя является средством превращения отходов в энергию (но с низким коэффициентом полезного действия), не решает вопрос с выбросами.

Более новые инсинераторы при работе используют технологии, подобные частичной газификации, но все равно тоже нуждаются в сложных и дорогих системах очистки выбросов, а кроме этого, производят и ряд новых отходных материалов, например золу, которая требует депонирования или другого типа утилизации. Как правило, использование инсинераторов для уничтожения биоопасных отходов не рекомендуется или требует очень крупных вложений, в том числе и для дополнительных очистных сооружений.

Для улучшения сгорания и значительного уменьшения вредных выбросов иногда предлагается применение плазменных технологий для инсинерации. Хотя этот метод и более экологический, основная его проблема в том, что он сильно эндотермичный по своему характеру и требует очень много расходов на внешнюю энергию, которая значительно превышает полученную. Частично вопрос можно решать применением, например, так называемой квазиплазменной технологии, путем принудительного добавления кислорода в процессе, но это всегда делается за счет резкого уменьшения безопасности процесса.

Существенными преимуществами перед сжиганием и инсинерацией располагают различные технологии газификации отходов. Здесь входят биогазовые процессы, высокотемпературная газификация, пиролиз и пиролизная газификация, быстрый пиролиз (жидких масел и отходов) и др. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки.

Наиболее обещающая технология – это пиролизная газификация, но объемы установок такого типа пока не превышают обработки нескольких тонн в час. За счет этого технология может газифицировать любые отходы органического происхождения, а полученный газ (сравнимый с биогазом и природным газом) можно сразу превращать в электричество и тепло, сжижать или компрессировать с выделением СУГ и метана для последующего хранения и использования. Ее размеры делают возможным ее мобильное использование или использование для децентрализированных систем энерго- и теплоснабжения. Технология пиролизной газификации позволяет также переработку жидких органических отходов, в том числе нефтешламы и другие некондиционные топлива, использованные технические и пищевые масла и т.д. Не все технологии одинаково эффективны, в том числе и в том, что касается выбросов. Газификация, например, наиболее успешна с точки зрения уменьшения выбросов СО2 и превосходит по этому параметру инсинерацию и улавливание свалочного газа.

По своему характеру ВВИЭ в части более продвинутых технологий Отхо ды-в-энергию можно считать «двойным зеленым решением»: уменьшение угрозы окружающей среды путем производства более экологической энергии.

Побочные процессы и явления

Под ними понимают такие, например, как выделяемое тепло, доменный газ, избыточное давление, механическое движение, то есть то, что не участвует непосредственно в выработке энергии из первичных (возобновляемых или невозобновляемых) источников, но само является источником энергии. Их использование имеет важное значение и для улучшения энергоэффективности, сокращая таким образом использование других источников энергии, в том числе и традиционных ископаемых, которые оказывают негативное влияние на окружающую среду и климат. Энергоэффективность, которая сама по себе представляет отдельную сферу, имеет и другое важное измерение, связанное напрямую с уменьшением потерь произведенной энергии, будь это путем санирования объектов производства и потребления энергии или оптимизации тепло- и электротрасс переноса энергии, что опять ведет к экономии первоисточников.

Небиологические газы

Как уже отмечалось, нарастает внимание к использованию небиологических газов для целей зеленой энергетики. На первом месте здесь стоит водород. Водородные технологии бесспорно имеют большое будущее, особенно по части возможности транспортировки даже по сегодняшним газопроводам, а также ввиду их низкоуглеродных и углероднонейтральных параметров. Водород неисчерпаем и имеет высокую энергетическую стоимость. Его применение возможно как в форме непосредственного самостоятельного и вспомогательного горючего (например, через добавление в природный газ), так и как основа для работы водородных топливных элементов. Существующие технологии еще не полностью эффективны и безопасны, но темпы их развития дают основание верить, что их широкое применение на практике случится уже в рамках следующего десятилетия. Для получения водорода используются несколько методов, но все они очень энергоемкие. При этом нужно обеспечить, чтобы энергия, используемая для его получения, была как минимум низкоуглеродной, а лучше всего полученной на базе ВИЭ или от АЭС («зеленый» водород). В противном случае использование водорода в новых условиях теряет большинство своих преимуществ и смысла. Возможность долгосрочного хранения и транспортировки водорода позволяет использовать возможности ВИЭ в период переизбытка производства энергии на их основе и балансировке энергопотребления.

Незаслуженно обходятся стороной и возможности, предоставляемые потенциалом других небиологических газов. В этом направлении есть ряд наработок, которые предполагают использование СО2 для генерации энергии. Это не только дает дополнительную ресурсную базу, но и помогает сокращению или нейтральному использованию самого СО2 наряду с традиционными системами улавливания и сохранения ССS (Carbon Capture and Storage).

До недавнего времени считалось, что использование СО2 для создания энергетических источников неперспективно из-за запредельно высоких цен на коммерческую реализацию. Так, например, забор 1 т СО2 из воздуха (так называемый Direct Air Capture) с производством топлива стоил около 600 долл. За несколько лет технологическое развитие позволило сократить этот показатель до менее чем 100 долл., при этом снизив цену за литр получаемого топлива до 1 долл. Это пока еще очень высокая себестоимость, но тенденция очень показательна, тем более что DAC является далеко не единственной технологией, с которой активно проводятся НИОКР на данный момент.

Особенно перспективно использование связки «зеленого» водорода и СО2 для создания так называемой syncrude как основы для производства синтетических горючих, в том числе и для авиационного горючего. Такой метод явится очень серьезным конкурентом биогорючих и других ВИЭ.

Серьезные подвижки есть и в области использования аммония для сохранения и генерирования энергии.

Устойчивое развитие

Концепция устойчивого развития (УР) была утверждена Генеральной Ассамблеей ООН в 1987 году и впоследствии начала применяться на национальном уровне во всех государствах – членах Всемирной организации в той или иной степени. Концепция основана на принципе ответственного использования природных ресурсов и охраны окружающей среды в условиях нарастающих нужд эксплуатации этих ресурсов для обеспечения потребностей людей, с одной стороны, и их количественной ограниченности и негативного воздействия на природу – с другой. На основе концепции были разработаны 17 конкретных целей.

При этом внедрение ВВИЭ будет способствовать не только решению конкретных целей УР, непосредственно связанных с энергетикой и экологией (Цели 7 и 13), но и будет иметь позитивный эффект и способствовать реализации других целей УР.

Так, например, инвестиции в ВВИЭ создадут дополнительные рабочие места, увеличат ВВП и поспособствуют реализации Цели 1 – ликвидации нищеты.

Некоторое смещение фокуса использования биогорючего в сторону ВВИЭ поможет реализации Цели 2 – ликвидации голода. Утилизация в чистую энергию отходов и загрязнителей имеет непосредственное отношение к Цели 6 – чистая вода и санитария. НИОКР, связанный с ВВИЭ, органично вписывается в Цели 9 и 11.

Процесс внедрения ВВИЭ также будет приводить напрямую к созданию новых партнерств для достижения целей устойчивого развития – Цель 17.

Рыночные перспективы ВВИЭ

ВВИЭ имеют значимый рыночный потенциал. В Европе до 2026 года ожидается, что только рынок инвестиций в утвердившиеся уже технологии Отходы-в-энергию приблизится к 30 млрд евро. Цена достижения целей «зеленой сделки» оценивается в 1 трлн евро, причем не на всем протяжении ее реализации. Вопросы утилизации отходов, энергоэффективности и внедрения водородных и других новых технологий будут занимать значительное место в этом бюджете. Отдельно – доля коммерческого использования всех видов ВВИЭ, которая будет сравнима с ВИЭ.

В России уже намечено строительство до 30 мусоросжигательных заводов (МСЗ) с генерацией энергии, а бюджет только этого проекта суммарно приближется к 600 млрд руб. Есть видение и по утилизации отходов МСЗ в виде золы. Как вариант, рассматривается возможность превращения большей части в углерод, а оставшееся количество можно использовать в качестве инертного материала в строительстве и дорожном деле.

В заключение можно сделать вывод, что перед ВВИЭ открываются широкие перспективы.

За счет возможностей их непрерывного использования и возможности долгосрочного хранения и транспортировки в отличие от цикличности ВИЭ ВВИЭ сами по себе могут быть ключевым элементом для создания резервных мощностей и устойчивой энергосистемы.

ВВИЭ имеют также ключевое значение для достижения ЦУР, гармонично воплощая в себе средства получения неисчерпаемой на практике чистой энергии, с одной стороны, и предотвращая нарастающее загрязнение окружающей среды путем правильной утилизации текущих и уже депонированных отходов – с другой.

Использование ВВИЭ самостоятельно или вместе с мерами по повышению энергоэффективности напрямую будет вести к уменьшению потребностей в первичных энергоисточниках, а также и в ВИЭ.

Применение ВВИЭ наряду с ВИЭ все больше будет влиять на формирование новой модели межтопливной конкуренции, где комбинация таких факторов, как удешевление применения новых технологий и введение позитивных и негативных стимулов, приводит к постепенному вытеснению традиционных источников. Поэтому надо ожидать, что в ближайшем будущем основная конкуренция, особенно в Европе и США, перенесется в сферу возобновляемых и альтернативных источников. Этому будет способствовать и появление новых технологий, например связка «зеленого» водорода и улавливаемого СО2.

Россия в качестве одновременно крупного производителя и потребителя энергии, а также за счет широкого спектра существующих наработок и новых НИОКР имеет очень большой потенциал как для внутреннего внедрения, так и для конкурентного участия на международных рынках.