• Атмосфера накаляется
• Законсервировать солнце
• Энергетика запасной лиги
• Из-под земли достанем

Атмосфера накаляется

Начало активных разработок в этом направлении корнями уходит в 1970-е, но в последние годы тема ВИЭ привлекает все больше внимания. Почему? Использование нефти, природного газа, угля и даже дров стимулирует выбросы двуокиси углерода (СО2) в атмосферу Земли. Это, уверены исследователи, влияет на климат: на Земле происходит глобальное потепление. Сентябрь 2023-го стал для планеты самым теплым за всю историю наблюдений, а год в целом, по оценке Европейской службы по изменению климата Copernicus, может оказаться самым жарким за последние 125 тысяч лет.

Почему газовая и атомная электроэнергия окончательно позеленела

При этом 2022-й стал рекордным по выбросам СО2: показатель превысил предыдущий год на 0,9% и достиг 38,6 млрд тонн. Такие данные приводит Международное энергетическое агентство (IEA).

Ученые говорят, что глобальное потепление приведет к росту смертности – как напрямую (когда человеческое тело перестает справляться с жарой выше климатической нормы), так и опосредованно (гибель в результате природных катастроф, вызванных переменой климата), и даже косвенно (социальный коллапс, вызванный необходимостью переселения людей из привычных мест). Приблизительные расчеты показывают: в XXI веке по причинам, связанным с изменением климата, плохой экологией и загрязненным воздухом, может умирать от 1 до 7 млн человек в год. Ученые Мельбурнского университета недавно подсчитали, что только в Австралии выбросы транспортных средств приводят к 11 тыс. преждевременных смертей в год.

Таким образом, переход на полностью зеленую энергию выглядит задачей, приоритетной для выживания человечества. Для этого придется отказаться от «грязного» топлива и перейти на возобновляемые источники энергии, которые в том числе не приводят к выбросам СО2 в атмосферу.

Сегодня в мире выделяют пять основных типов зеленых энергосистем: водные (гидроэнергетика, по состоянию на 2021 год – более половины всей зеленой энергии в мире), ветровые, солнечные, геотермальные и био (когда для получения энергии используются отходы сельхозпромышленности или бытовые). Перспективным также считается водородное топливо, однако технология его производства пока недостаточно отработана, а стоимость слишком высока для массового распространения ($4–6 за кг).

В долгосрочной перспективе цена «зеленых» киловатт-часов будет снижаться. Например, по прогнозам, к 2035-му стоимость солнечной и ветряной энергии станет ниже в 16 раз. Но даже сейчас она частично компенсируется масштабными инвестициями в отрасль. В 2022 году на развитие возобновляемых источников энергии в мире было инвестировано $1,74 трлн, а в традиционные топливные ископаемые – $1,05 трлн, подсчитали в IEA. Любопытный факт: до пандемии инвестиции в обычное топливо были либо выше (до 2015 года), либо на одном уровне с ВИЭ. После 2020-го вложения в традиционную энергетику сократились, а в зеленую – продолжают расти.

Лидеры и антилидеры

Страны – лидеры по переходу на возобновляемые источники энергии (ВИЭ) находятся в разных частях света. Общее у них – обилие водных ресурсов. По данным исследовательской компании в сфере энергетики Enerdata, в первую пятерку входят Норвегия (98,5% ВИЭ от всего производства электроэнергии), Бразилия (89,2%), Новая Зеландия (86,6%), Колумбия (75,1%) и Канада (68,8%).

Страны, активнее прочих осваивающие ветровую и солнечную энергетику, сосредоточены прежде всего в Европе. Португалия, Испания, Германия, Нидерланды и Великобритания таким образом вырабатывают около трети (кто-то чуть больше, кто-то меньше) всей своей электроэнергии.

Тем временем в перечне стран с высоким уровнем СО2-загрязнения с большим отрывом лидирует Китай (10,5 гигатонны за 2022 год), за ним следуют США (4,7 Гт), Индия (2,5 Гт), Россия (1,8 Гт) и Япония (1 Гт). Ну а быстрее всех растет по показателям загрязнения Индонезия: +28% по сравнению с 2021 годом и уже шестое место в этом списке.

Законсервировать солнце

Ирония заключается в том, что на сегодняшний день производство зеленых энергетических систем полностью или по крайней мере в подавляющем большинстве зависит от традиционной энергетики. В частности, человечество пока не умеет строить без использования материалов и продуктов из ископаемого топлива ни гидроэлектростанции (ГЭС), ни линии электропередачи (ЛЭП), ни ветряные турбины и солнечные батареи. А для создания солнечных панелей и вовсе используются редкоземельные иссякаемые природные материалы: бор, фосфор, индий, кадмий, галлий.

Нереализованный потенциал: что даст России разработка редкоземельных металлов

Важна и география. Если ТЭЦ можно разместить в городе, сразу за его пределами или практически в любой удобной локации, то гидро- (ГЭС), ветряные (ВЭС) и солнечные энергетические системы (СЭС) куда более требовательны к месту: они должны быть у воды, на продуваемых всеми ветрами равнинах или же в самых солнечных точках региона. Значит, располагаться они будут в большинстве случаев заметно дальше от мест, где вырабатываемая энергия потребляется. Таким образом, необходимо строить и поддерживать эксплуатацию в разы большей инфраструктуры, что приведет к кратному росту выбросов СО2.

Не вся добытая энергия потребляется сразу: любая инфраструктура требует создания запаса, определяемого сезонностью или возможными сбоями в энергосетях. Значит, встает вопрос хранения выработанной электроэнергии, и здесь у нас очередной подводный камень, принципиально отличающий зеленую энергетику от традиционной. Уголь, газ, нефть хранятся в своем естественном состоянии, а вот солнце и ветер таким образом не законсервируешь: нужны аккумуляторы.

Одними из наиболее эффективных сегодня считаются Tesla Megapack, каждый из которых стоит от $1 млн, а хранить способен до 3 тыс. кВт·ч энергии. Если посчитать энергорасходы Москвы в 2023 году, в среднем за день получится около 87 млн кВт·ч. Соответственно, один лишь день запаса энергии для столицы потребует 29 тыс. таких «Мегапаков» (общей стоимостью, соответственно, не менее $29 млрд). Очевидно, что хранить на ТЭЦ уголь, которого хватит на месяцы, значительно выгоднее. Не говоря уже о том, что и перевозить уголь, нефть и газ куда проще. А значит, переход на зеленую энергетику потребует полного пересмотра экономической модели в этой отрасли. Но как это реализовать, никто не знает.

Наконец, после окончания срока эксплуатации «зеленого» оборудования его необходимо утилизировать или же переработать. И то, и другое требует существенных энергозатрат (также ведущих к росту выбросов СО2), причем сегодня затраты на переработку использованных материалов выше, чем на добычу и производство новых. Тут показателен пример аккумуляторной отрасли: по прогнозу McKinsey, к 2030-му кратно вырастет потребность в переработке и производстве новых батарей для электромобилей, чья популярность неуклонно растет. Поэтому уже сейчас сформирован запрос на инновационные технологии переработки. То же актуально и для энергоотрасли в целом: чем активнее будут внедряться системы на ВИЭ, тем больше будет запрос на инновационные методы их построения, переиспользования и утилизации, не ведущие к повышенным выбросам СО2, как это происходит сегодня.

Энергетика запасной лиги

Возвращаясь к вопросу хранения и логистики запасенной энергии, нельзя не отметить, насколько он важен для стабильно работающих энергетических систем. Особенно зеленых, которым необходимо считаться с капризами погоды и несовпадением природных циклов с ритмами человеческой жизни. Например, летом потребление энергии существенно ниже, чем зимой, когда требуется обогревать целые мегаполисы. Вот только зимой и вода замерзает, и солнечный день сильно короче – значит, и добывать «чистую» энергию становится сложнее.

Частично спасают математические модели. Да, рассчитать количество необходимого угля намного проще, но благодаря прогнозным моделям и ИИ-алгоритмам можно с высокой точностью спрогнозировать и солнечную, и ветровую активность, не говоря уже о гидроэнергетических системах. Но даже при стопроцентно эффективной математической системе мы столкнемся с естественными ограничениями: ветер не будет дуть постоянно, а солнце никогда не взойдет ночью.

Почему Евросоюз никогда не откажется от "зеленой" энергетики

В конце 2021-го в Nature была опубликована статья, где приводится сопоставление ветровой и солнечной активности в 42 странах мира с потребностями этих государств в электроэнергии за 1980–2018 годы. Выводы неутешительны: даже в идеальных условиях, когда энергию можно было бы почти мгновенно передавать в любую точку в пределах континента, солнце и ветер все равно не могли обеспечить достаточного и постоянного электроснабжения. И даже аккумуляторы с 12-часовым запасом (не будем забывать: очень дорогие аккумуляторы) не решали проблему – ТЭЦ и ТЭС так или иначе оказались нужны.

Решение – частичный переход на ВИЭ с сохранением ТЭС в качестве поддерживающих систем, как это сейчас происходит во многих странах. Но и тут не все идеально. Пока зеленая энергия остается на втором плане, проблемы нет: традиционная работает на стандартных мощностях, уменьшая темпы выработки по мере перехода страны на энергию воды, солнца и ветра.

Но наступает момент, когда ВИЭ становятся главными, а ТЭС переходят в запасную лигу и начинают работать прерывисто: грубо говоря, «включаться» и «выключаться» по запросу, в зависимости от непостоянных погодных условий. Вот только сложная энергетическая инфраструктура ТЭС для этого не приспособлена: она гораздо эффективнее работает на постоянных мощностях, тогда как процессы ее остановки и запуска очень долги и дороги.

Именно поэтому, к слову, специалисты критикуют ежегодную акцию «Час Земли», когда людей во всем мире призывают на время отключить электричество в знак неравнодушия к экологическим проблемам. Подготовить к такому краткосрочному переключению работающие на полную мощность ТЭС невозможно, а значит, выработка энергии будет продолжаться. Вот только вместо использования по назначению она попусту рассеивается в воздухе, что приводит… к повышенному выбросу СО2.

Таким образом, мы оказываемся в тупике: полностью перейти на зеленую энергию в текущих технологических реалиях либо невозможно, либо (в больших объемах) слишком дорого. Ведь вместо одной традиционной энергосистемы придется содержать две, если не больше, и каждую – за полную стоимость.

Договор предоставления мощности

Россия, по данным Enerdata, находится на 4-м месте в мире по объемам выбросов СО2. До 1998 года показатель снижался, после чего стал немного расти. При этом доля возобновляемой энергии в нашей стране сравнительно невысока: за последние 10 лет она колебалась от 16% (2015-й) до 20% (2020-й), в прошлом году показатель составил 17,7%.

До 2024-го в России действует договор предоставления мощности по возобновляемым источникам энергии (ДПМ ВИЭ). Он гарантирует возврат инвестиций всем, кто вложится в проекты по зеленой энергетике. В конце следующего года должен пройти отбор проектов в рамках ДПМ ВИЭ 2.0. Эти договоры в числе прочего стимулируют строительство ВЭС (ветровых электростанций) и СЭС (солнечных электростанций) в России до 2035 года.

По состоянию на октябрь, в рамках первого ДПМ ВИЭ в России было запущено более ста объектов ВИЭ-генерации. Однако по развитию ВЭС и СЭС Россия пока отстает как от Китая, так и от других нефтегазодобывающих стран, включая ОАЭ и Саудовскую Аравию.

Из-под земли достанем

И все же зеленая энергетика определенно не бесперспективная отрасль. Сегодня на высоком уровне освоена работа с водными ресурсами, все активнее дают о себе знать разработки в области водородного топлива – его использование ведет к выбросу в атмосферу лишь безвредного кислорода. В октябре американский стартап Electric Hydrogen стал первым в мире «единорогом» в сфере водородных двигателей – его оценка превысила $1 млрд.

Второе дыхание: как изъять из атмосферы Земли избыточный углекислый газ

Активно ведутся исследования в сфере термо- и биохимических реакций, которые позволят производить биотопливо из органики, остающейся в результате, например, сельскохозяйственной и животноводческой деятельности. А одним из наиболее перспективных ВИЭ-направлений считается геотермальная энергетика, то есть добыча энергии буквально из недр Земли (той, конечно, которая доходит практически до поверхности). В отличие от воды, солнца и ветра, она не подвержена сезонным или иным колебаниям, но также является полностью возобновляемой. Вот только бурение скважин достаточно дорого и сопровождается заметным выбросом СО2, а КПД таких систем пока весьма низок (менее 6%), да и оборудование быстрее изнашивается из-за токсичных примесей в земле и подземной воде.

Еще одним перспективным проектом считается добыча солнечной энергии на орбите Земли. Такие разработки не выглядят фантастическими, однако инженерам придется решить ряд серьезных задач. Главная – как передавать энергию на Землю с минимальными потерями и наибольшей эффективностью. В июне этого года правительство Великобритании выделило $5,4 млн на проект по созданию орбитальной космической электростанции и системы передачи энергии на Землю.

Аналогичный проект был и у России. Солнечную космическую электростанцию (СКЭС) «Роскосмос» анонсировал в январе 2022-го, разработка предполагала сбор энергии космическим аппаратом и передачу ее лазерным лучом на ректенны, находящиеся на Земле. Однако по поводу этого проекта новостей пока нет.