Альтернативная генерация глазами скептиков

Солнечные и ветровые электростанции на сегодня составляют основу возобновляемой энергетики. Фото Reuters

В альтернативной энергетике, в отличие от традиционной, используют в основном неуглеродные возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – солнце, ветер, биомассу и геотермальные воды. О каждом из таких источников имеется множество публикаций. Но полемика на эту тему не затухает, и новым в ней является акцент на том, в каких условиях и в каких странах они предпочтительны с точки зрения потребителей энергии. Горячие поборники зеленых технологий готовы переплачивать за используемую энергию, защищая окружающую среду от всяческих выбросов. Коллапс недавней техасской зимы остудил горячие головы и заставил более вдумчиво отнестись к замене традиционных углеводородных источников энергии альтернативными.

Испытание зимними холодами

Известна поговорка о том, что от холода можно спастись, а от жары – нет. Она не универсальна и касается в основном одежды. Нынешняя зима в Техасе (США) и соседней Мексике показала, что, напротив, при непродуманном отношении к энергетической безопасности спастись от холода бывает просто невозможно.

Сторонники гипотезы глобального потепления, опиравшиеся на фактически имевшее место потепление в Европе и Америке в последние несколько лет, явно поторопились возвести эту гипотезу в ранг теории. Теперь им явно предстоит как-то оправдываться, ссылаясь на то, что любая наука развивается путем преодоления заблуждений. В Техасе в мороз веерные отключения электроэнергии начались, когда из-за обледенения ветряков из энергосети выпала половина их мощности – около 12 ГВт. Более 4 млн человек остались без электричества, притом что отопление в этом штате сплошь электрическое. Несколько десятков человек погибли. Спотовая цена на электроэнергию (установленная на момент совершения сделки) подскочила до 10 тыс. процентов, побив все рекорды.

Примечательно, что доля угля в энергетике Техаса за последнее десятилетие упала более чем вдвое, достигнув 18%. Уместно напомнить о том, что в 2014 году доля угля в мировом производстве энергии составила 30%, нефти – 32,6%, природного газа – 23,7%, а ВИЭ – всего 2,5%.

Мировой энергетический кризис 1973 года заставил западные страны развивать альтернативную энергетику. В это же время открытие больших нефтегазовых запасов в Западной Сибири заморозило на многие годы развитие ветряной энергетики в СССР. В такой же мере это коснулось и развития солнечной энергетики. Подсевшая на «нефтяную иглу» страна стала решать все экономические вопросы, опираясь на углеводородное сырье. Однако нет, как говорится, худа без добра. Сильные морозы на большей территории России не страшны угольным и газовым станциям, и отставание от моды на ВИЭ не привело к созерцанию унылых зрелищ замерзших ветряков и покрытых снегом обледеневших солнечных батарей. Поэтому никакого энергетического коллапса наша страна нынешней зимой не переживала. Впрочем, как и в другие зимы с привычными для россиян морозами.

Горизонты термоядерной энергии

Человечество обречено на необходимость решить проблему термоядерной энергетики, поскольку в ближайшей перспективе в его распоряжении нет других источников энергии такого же масштаба. По некоторым данным, это решение может быть получено в конце текущего столетия. Началось освоение данного источника энергии с создания термоядерного оружия, действующего в неуправляемом режиме.

Овладение управляемым термоядерным синтезом позволило бы человечеству получить практически неисчерпаемый источник энергии. Однако возникшая при этом проблема управления термоядерным синтезом превзошла по сложности все научно-технические проблемы предыдущего столетия. Суть проблемы состоит в том, чтобы осуществить реакцию синтеза в дейтерий-тритиевой плазме, нагрев ее до 100 млн градусов, и удерживать ее в течение определенного времени. Наиболее перспективными устройствами для удержания плазмы с помощью магнитных полей являются магнитные ловушки тороидального типа, предложенные и разработанные нашими учеными. Сейчас в мире имеется более 100 разных токамаков. Термин «токамак» происходит от русского акронима, которым обозначается тороидальная камера с магнитными катушками. Токамаки будут использовать энергию синтеза, абсорбируемую в виде тепла стенками устройства, для нагрева и производства пара, который и будет крутить турбины.

В настоящее время усилиями Европейского сообщества, Японии, России и США сооружается экспериментальный термоядерный реактор на базе концепции токамака. Он получил название ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Его проектирование шло с 1992 по 2007 год, сооружение ведется с 2009 года по настоящее время. Окончание и первый запуск реактора в шахте намечены на декабрь 2025 года. Этот токамак будет вдвое больше предшественников по всем размерам и в 25 раз мощнее с точки зрения термоядерной мощности. Общие расходы на ITER оцениваются в 22 млрд евро, что ставит его на первое место по стоимости среди научных установок. Реактор ITER будет существенно менее опасным объектом, чем обычные ядерные реакторы. В нем используется центральный соленоид массой 1000 т, и его запаса энергии хватит на 400 секунд горения при номинальной мощности 500 МВт, или 100 секунд горения с током плазмы 17 МА (мегаампер), при котором мощность будет около 700 МВт.

На единицу термоядерного топлива в ITER 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. Демонстрационный термоядерный реактор может быть создан уже в середине текущего века. В случае успеха термоядерная энергия станет доступной для массового потребителя в конце столетия. Поэтому поиск энергоресурсов на время, предшествующее появлению доступного термояда, продолжает быть актуальной задачей.

Ограниченность ресурсов

Сейчас практически все ВИЭ с точки зрения экономики проигрывают традиционным источникам, и этим определяется их невысокий вклад в энергетику. Вместе с тем и для возобновляемой энергетики есть свои ниши, в которых она может быть вполне востребованной.

Так, при всей несостоятельности претензий солнечной энергетики на глобальную роль в мировом энергобалансе, ее роль в качестве локальной энергетики может быть достаточно значимой.

Экологическая чистота солнечной энергетики является кажущейся, если вспомнить о том, что производство кремния как основы солнечных батарей является вредным производством. Парадокс в том, что производство чистой энергии требует грязного производства соответствующего оборудования. Более того, утилизация отслуживших солнечных панелей, содержащих кадмий, также наталкивается на экологические проблемы.

Основные проблемы ветряной энергетики вызваны непостоянством вырабатываемой энергии и высокой стоимостью ветрогенераторов. Наиболее дорогой является офшорная ветроэнергетика. К 2020 году крупные компании – производители оборудования обещали снизить стоимость офшорной электроэнергии до уровня ниже 120 долл. за МВт-ч. Еще одна проблема – низкая единичная мощность ветрогенераторов. Поэтому для обеспечения мощности, равной мощности типовой ТЭЦ, требуются сотни ветряков, занимающих большие площади.

Ветряки окупаются в среднем лишь через 10 лет, причем экономически они оправданны при среднегодовой скорости ветра, равной 5 м в секунду. Таких ветров на большей части России нет. Поэтому ветроэнергетику у нас развивать целесообразно лишь в условиях Крайнего Севера, а также на побережьях и островах северных и восточных морей. При этом приходится помнить о том, что высокая стоимость ветряков и непостоянство производства энергии делают их лишь вспомогательным источником энергии.

Использование ветряков не избавляет от экологических проблем. Отбор энергии ветра может ощутимо влиять на микроклимат прилегающей территории, этот вопрос еще не изучен. Пока что людям приходится сталкиваться с шумом от работающих ветряков, а близлежащие к ним дома испытывают передающиеся от ветряков колебания, сопровождающиеся дребезжанием стекол. Властям приходится принимать законы, ограничивающие уровень шума (45 дБ днем и 35 дБ ночью) и регламентирующие удаления установок от жилых домов (не менее 300 м). Такие законы приняты в Германии, Великобритании, Нидерландах и Дании.

Ветряки и солнечные батареи успешно используют в автономных источниках энергии там, где невозможно использовать энергию от других источников. Однако строить базовую энергетику на их основе нецелесообразно. В этом отношении они проигрывают более надежным и мощным тепловым и атомным электростанциям, которые способны вырабатывать электроэнергию круглосуточно в течение всего года.

Биоэнергетика за счет продовольствия?

Отходы биомассы и бытовые отходы могут вполне использоваться для выработки энергии. К примеру, в городском районе с населением 100 тыс. жителей ежегодно образуется около 40 тыс. т твердых горючих бытовых отходов, тепловая утилизация которых позволяет обеспечить половину жителей района горячей водой, сэкономив тем самым до 15% расхода природного топлива.

Биотопливо для дизельных двигателей (биодизель) впервые стали получать из сельскохозяйственных культур с высоким содержанием жиров, крахмала и сахаров. Растительные крахмалы и сахара перерабатываются в этиловый спирт (этанол), который может использоваться как топливо для карбюраторных двигателей. Однако изъятие даже части продовольственных культур с рынка пищевых продуктов повышает их розничную цену.

К меньшим объемам затрат приводит использование непищевых остатков растений, травы и отходов древесины. Они содержат целлюлозу и лигнин. Это биотопливо можно сжигать, газифицировать.

Прирост потребления первичной энергии по видам топлива, базовый сценарий. Источник: ИНЭИ РАН

Перспективное направление производства биомассы – выращивание фитопланктона в искусственных водоемах на морском побережье. Последующее метановое брожение биомассы и гидроксилирование образующегося метана позволяют получать метанол. Препятствием для рентабельного развития данной технологии является общемировая тенденция снижения цен на нефть.

Мировой рынок биотоплива уже достиг высокого уровня, превысив 100 млрд долл.

По некоторым оценкам, при современном уровне энергопотребления развитых стран за счет ВИЭ на земле может существовать не более 500 млн человек, что на порядок ниже уже достигнутой численности населения нашей планеты. Возможности всех ВИЭ, несмотря на многолетние усилия и огромные затраты, не превышают 3% из-за невысокой плотности преобразованной ими энергии и низкой реальной энергетической отдачи источников.

Между тем население нашей планеты уже превысило 7 млрд человек и продолжает ежегодно возрастать на 80 млн. Каждый седьмой человек в мире страдает от голода, только в Африке ежедневно от голода умирает свыше 15 тыс. человек. С учетом этого нет смысла обсуждать перспективы использования сельскохозяйственной продукции для расширения топливной базы энергетики. И лишь крупнейшие мировые производители продовольствия (США, Бразилия и некоторые европейские страны) могут позволить себе направлять часть своего избыточного сельскохозяйственного производства на производство топлива. Примечательно, что на производство этанола в США пошла большая часть зерна, которое ранее шло на экспорт и продовольственную помощь другим странам. При этом уже в 2006 году после начала массового производства биоэтанола в США мировая цена на кукурузное зерно увеличилась втрое.

К 2030 году прогнозируется удвоение мирового спроса на продукты питания, главным образом из-за использования пищевого зерна для производства топлива и повышения уровня жизни в развивающихся странах.

По последнему демографическому прогнозу ООН, к 2040 году население планеты достигнет 9,2 млрд человек, при этом темпы прироста в 2015–2040 годах замедлятся и составят 0,9% по сравнению с 1,3% в 1990–2015 годах. В результате прирост населения, пик которого пришелся на 1970-е годы, снизится по сравнению с нынешним вдвое. Этим во многом объясняется ожидаемое замедление роста энергопотребления. Так что рост спроса на продовольствие и энергоресурсы может оказаться не столь драматичным.

Растущий спрос на биотопливо вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами, перераспределяя их в пользу топливных. В результате биотопливного бума число голодающих на планете к 2025 году возрастет до 1,2 млрд человек.

Наиболее эффективными поглотителями диоксида углерода из атмосферы являются лесные массивы. Их вырубка с целью выращивания биомассы приводит к уменьшению поглощения растениями этого парникового газа. Подобная парадоксальная ситуация сложилась в Индонезии, Малайзии, на Борнео и Суматре, где для создания пальмовых плантаций с целью производства биодизеля была вырублена немалая часть тропических лесов.

Производство биотоплива будет продолжаться только в благоприятных климатических условиях, например в Бразилии. В России же, которая импортирует до половины потребляемого продовольствия, развивать биоэнергетику явно нецелесообразно.

Пока биотоплива конкурентоспособны только в регионах с тропическим и субтропическим климатом (где собирают несколько урожаев в год растительного сырья) при цене нефти 100–110 долл./барр. В других регионах их себестоимость доходит до 120–140 долл./барр, что потребует специального стимулирования производителей биоэтанола и биодизеля.

Водородная энергетика

ВИЭ могут снизить выбросы углерода в электроэнергетике. Водород при этом претендует на роль универсального энергоносителя (Прогноз-2019, ИНЭИ РАН). Его также отличает относительное удобство долгосрочного масштабного хранения и транспортировки на любые расстояния, в том числе с использованием уже имеющейся инфраструктуры, связанной с природным газом. Водород может быть использован во всех секторах преобразования и потребления энергии: в электроэнергетике; тяжелой промышленности (заменяя природный газ и нефтепродукты); на транспорте; в секторе зданий (для отопления и электроснабжения, в том числе автономного, с замещением природного газа или нефтепродуктов); в промышленности (в качестве сырья и заменителя традиционных углеводородов); как один из наиболее эффективных способов создания долгосрочных хранилищ энергии. Важным преимуществом водорода является возможность использования избыточной выработки ВИЭ для его производства методом электролиза и последующего хранения водорода либо его использования в разнообразных процессах. Водородные технологии наукоемки, и у них еще большой потенциал к росту эффективности и снижению стоимости. Ожидается, что капитальная стоимость электролизеров сократится к 2030 году в 1,5–4 раза.

Общий объем производства водорода в мире в настоящее время оценивается в 55–65 млн т, причем среднегодовые темпы его роста за последние 20 лет были невысоки – около 1,6% в год. Более 90% водорода производят на месте его потребления, и менее 10% поставляют специализированные компании, работающие на рынке промышленных газов. В качестве сырья для производства водорода доминируют углеводороды. Более 68% водорода получают из природного газа, 16% – из нефти, 11% – из угля и 5% – из воды с помощью электролиза. Это объясняется сравнительной дешевизной производства из углеводородов. Однако в последние годы набирает обороты производство водорода методом электролиза. В течение последних лет в среднем в мире вводили в эксплуатацию около 10 МВт электролизеров ежегодно. До конца 2020 года ожидался ввод еще 100 МВт. Инвестиции в электролизеры растут: совокупная мощность установок может почти утроиться в ближайшие 2–3 года, достигнув отметки в 150 МВт.

Появились первые прототипы газовых турбин, работающих полностью на водороде.

По некоторым оценкам, потенциал роста доли водорода к 2050 году составит до 12–19% конечного потребления энергии в США, Великобритании и Евросоюзе. В долгосрочной перспективе роль водорода в мировой энергосистеме может оказаться сопоставима с ролью, которую сейчас играет газ или уголь.

Согласно среднесрочным прогнозам мировой энергетики, в ближайшие 20 лет ведущая роль ископаемых источников энергии сохранится практически на сегодняшнем уровне. По некоторым оценкам, мир располагает запасами традиционных ресурсов углеводородов на несколько десятков лет, а угля – на 100 лет. Однако ожидаемое мировое потребление энергии к 2100 году должно увеличиться примерно на 60% по сравнению с уровнем конца 1990-х годов. Это приведет к увеличению годового потребления ресурсов и соответствующему сокращению прогнозируемых сроков их исчерпания.

Самые высокие темпы роста в прогнозный период имеют ВИЭ (без учета гидроэнергии, но с учетом биотоплива): к 2040 году на них придется 13,8% мирового энергопотребления и 12,5% выработки электроэнергии (против 10,9 и 3,7% в 2010 году). Новый тренд обеспечат некоторое удешевление технологий и активная господдержка в развивающихся странах.

Однако по абсолютным объемам прироста потребления и расширению своей ниши в топливной корзине будет лидировать газ, именно он станет наиболее востребованным видом топлива в ближайшие 30 лет. Основной прирост производства электроэнергии в мире (84%) обеспечат развивающиеся страны.

Мировое потребление ВИЭ к 2040 году достигнет почти 3 млрд т нефтяного эквивалента (н.э.), из которых на производство электроэнергии и тепла пойдет 2,7 млрд т н.э., включая 0,5 млрд т н.э. гидроэнергии. Перспективы роста спроса на отдельные виды ВИЭ сильно различаются по регионам. Так, до 2040 года самый высокий прирост спроса на ВИЭ для получения электроэнергии и тепла ожидается в Китае (увеличение в 4,4 раза), который будет удерживать лидерство в их мировом потреблении. Иная ситуация сложится в биоэнергетическом секторе, включающем подсекторы жидкого биотоплива и биомассы и отходов. В Китае потребление биоэнергии будет расти очень умеренными темпами, и хотя большая часть прироста придется на жидкие биотоплива, подавляющую долю в общем объеме продолжит составлять биомасса с отходами. В США ожидается другая динамика. В приросте потребляемой биоэнергии наибольшая часть придется на жидкие биотоплива. Кроме того, к 2040 году США обгонят Китай по показателю совокупного потребления всех видов биоэнергии.

Что может быть лучше углеводородов, добываемых из месторождений, которые принято было считать невозобновляемыми? Лучше их могут быть только углеводороды из возобновляемых месторождений. О них когда-то лишь мечтали. Но оказалось, что углеводороды из трещинных коллекторов и являются, по существу, возобновляемым источником энергии. Накопленные факты поступления углеводородов по трещинам с огромных глубин вполне допускают их синтезирование и в наше время. Нефть может мигрировать не только по горизонтали, как считалось ранее, но и по вертикали. Повсеместно наблюдаемый субвертикальный характер трещин в горных породах убедительно свидетельствует о существенно ином пути поступления углеводородов в резервуары, обнаруженные в доступных для бурения приповерхностных толщах горных пород. При этом сами трещины как природные каналы для перемещения (миграции) углеводородов стали объектом пристального внимания геологов и геофизиков. Я на эту тему уже подробно писал (см. «НГ-Наука» от 23.03.19), и повторяться не имеет смысла.

Таким образом, почти столетний интервал, имеющийся у человечества до начала освоения термояда, вполне можно будет пережить, не уповая на ВИЭ с их недостатками и ограничениями.