Возобновляемое будущее

В результате президентских выборов 8 ноября 2016 года страну с крупнейшей экономикой мира возглавил Дональд Трамп — человек, известный своим скептическим взглядом на проблему глобального потепления и выступающий за предоставление преференций компаниям, которые добывают ископаемое топливо. Парадоксальным образом, это событие обострило общественное внимание к проблемам возобновляемой энергетики (ВИЭ). Может ли позиция одного человека серьезно замедлить неизбежный процесс энергетического перевооружения человечества? И если нет, то не помешают ли этому процессу иные, более объективные проблемы – технологические и экономические?

Что такое возобновляемая энергетика?

Для начала определимся с терминологией. Возобновляемая энергетика в широком смысле включает в себя все возобновляемые ресурсы, используемые как в электроэнергетике, так и просто в качестве топлива. Другими словами, этот диапазон включает все, от банальных дров до заливаемого в бензобаки биоэтанола. Однако здесь речь пойдет только об электроэнергетике — использование топлива непосредственно для отопления, неэлектрического транспорта и т. п. мы пока оставим в стороне.

Среди ВИЭ особняком стоит гидроэнергетика. С формальной точки зрения гидроэлектростанции, несомненно, относятся к возобновляемой энергетике. Более того, сегодня они составляют ее подавляющую часть (около 70%). Стоит вспомнить о том, что промышленная энергетика как таковая началась в XIX веке с ГЭС на Ниагарском водопаде. Но, возможно, именно потому, что развитие этой отрасли давно переросло масштабы детских экспериментов, экологи предъявляют к ней все больше претензий и вообще ставят под сомнение ее принадлежность в ВИЭ. Мы посвятим гидроэнергетике отдельную статью.

Другим возобновляемым источником энергии, несомненно, является (или станет в более или менее отдаленном будущем) термоядерный синтез. Проблемы этой отрасли энергетики также будут рассмотрены отдельно.

Темой нашего разговора станет то, что обычно подразумевает под возобновляемой энергетикой широкая публика. Это пестрый набор от уже вполне привычных солнечных и ветровых электростанций до пока экзотических приливных и волновых. Чтобы разобраться в том, что из себя представляет возобновляемая энергетика сейчас и каково ее возможное будущее, нам придется ненадолго вернуться в прошлое.

История вопроса

Вообще говоря, в возобновляемой энергетике нет ничего нового. Много тысячелетий назад человечество научилось использовать для своих надобностей силу ветра (а также энергию текущей воды). И как только у цивилизации возникла потребность в промышленной электроэнергетике, эти традиционные источники были поставлены ей на службу. Первая ветроэлектростанция появилась еще в XIX веке, а солнечные батареи вышли из стадии экспериментов в 1950-х годах.

Однако в течение долгого времени считалось, что возобновляемая энергетика не имеет перспектив. Ну кому она нужна при цене в несколько долларов за баррель, как это было в 1960-х? Первый всплеск интереса к этой теме произошел в период нефтяного кризиса 1970-х. Но в середине 1980-х цена на нефть упала, и интерес тотчас угас.

В конкурентоспособную технологию возобновляемые источники энергии превратили европейские страны, в первую очередь Германия, Испания, Великобритания и Дания. С середины 1990-х годов европейские власти не на шутку озаботились экологией. Были приняты меры по искусственному экономическому стимулированию ВИЭ, и инновационные проекты стали окупаемыми. Этот шаг в то время вызвал такой же шквал критики, как и прочие попытки ЕС использовать неэкономические методы регулирования (в том числе, например, дотации фермерам). Суть критики во всех случаях сводилась к тому, что за неэффективную генерацию в конечном счете все равно платит потребитель.

Стоимость возобновляемой энергии поначалу превышала рыночную во много раз, и каждый золотой киловатт был оплачен из кармана европейского потребителя. Потребитель негодовал. Тем временем остальной мир воспринимал эту практику как блажь богатых европейцев, дорогостоящую игрушку, которая будет заброшена через несколько лет. Как ни парадоксально, альтруистичная инициатива, призванная возложить на благополучную часть человечества бремя расходов на сохранение биосферы, стала лишним поводом для взаимного недоверия между развитым и развивающимся миром.

Тем не менее вслед за правительственными дотациями в отрасль пришли большие деньги. Благодаря этим вливаниям в ней резко ускорилось развитие технологий, что в свою очередь стало причиной постоянного снижения стоимости строительства новых ВИЭ-электростанций. В результате цена одного ватта мощности солнечной электростанции упала с $76 в 1977 году до $0,3 в 2015 году. А снижение стоимости возобновляемой энергетики при одновременном повышении стоимости нефти делало ВИЭ-электростанции все более привлекательными.

Перелом произошел в конце 2000-х годов, когда возобновляемая энергетика достигла такого уровня конкурентоспособности, что вышла за пределы Европы и начала активно развиваться в прагматичных США и, что еще более важно, в развивающихся странах. Последовал взрывной рост ввода мощностей на ВИЭ — так, общая мощность ветроэлектростанций с 2005 по 2015 год выросла более чем в 7 раз, солнечных электростанций — более чем в 30 раз!

Светлое настоящее

К настоящему времени возобновляемые электростанции во многих странах достигли сетевого паритета — стоимость их электроэнергии сравнялась со средней по региону. Технология ВИЭ стала полноценно конкурировать с традиционной энергетикой и перестала требовать субсидий. Показателен пример Китая — страны, отнюдь не склонной к вкладыванию огромных денег в экономически бессмысленные проекты. По итогам 2015 года совокупная мощность солнечных электростанций Китая достигла 43 ГВт, ветряных электростанций — 145 ГВт (для сравнения: мощность всех атомных электростанций России — около 27 ГВт). В результате Китай стал безусловным мировым лидером в возобновляемой энергетике.

Если сегодня Дональд Трамп или кто угодно другой попытается остановить рост доли ВИЭ в общем энергобалансе, давая преференции ископаемому топливу или смягчая экологические ограничения, у него уже ничего не получится, ну разве что слегка замедлятся темпы роста. Даже в России, для экспортных доходов которой развитие возобновляемой энергетики представляет прямую угрозу, были, хоть и со скрипом, приняты меры по стимулированию строительства ВИЭ-электростанций.

Но существуют ли естественные пределы этого роста?

Почему нельзя получать 100% энергии от солнца и ветра?

Наиболее серьезный фактор, ограничивающий развитие возобновляемой энергетики, — неравномерность и нерегулируемость выработки ВИЭ-электростанций (в первую очередь наиболее распространенных ветровых и солнечных). Их производительность зависит от изменчивой погоды — скорости ветра, наличия облачности и других факторов. При доле возобновляемой энергетики до 20% это не сулит больших проблем: колебания выработки можно регулировать, загружая или нагружая традиционные электростанции (АЭС и ТЭС). Таким образом, энергосистема, в которой соседствуют разные способы генерации, обладает определенной гибкостью. Но если доля ВИЭ будет продолжать расти, надежность энергосистемы придется укреплять специальными мерами.

В наиболее выгодном положении тут находятся страны с большим числом гидроэлектростанций (такие как Швейцария, Норвегия и тот же Китай), поскольку ГЭС легко быстро изменяют мощность, компенсируя колебания выработки ВИЭ-электростанций. Прекрасной альтернативой гидроэлектростанциям служит гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС), которую современные технологии позволяют возвести практически везде. Она фактически представляет собой огромный аккумулятор, запасающий энергию путем закачки воды в верхний бассейн и отдающий электричество в сеть при сбросе воды вниз через турбины. ГАЭС имеют и свои недостатки: высокую стоимость строительства и потерю до 20% электроэнергии в процессе работы. Еще одно часто используемое (но тоже не лишенное недостатков) решение — высокоманевренная газотурбинная электростанция, которая также может быстро изменять мощность.

Радикально решить проблему могло бы дешевое и практичное устройство по хранению энергии. Разработка подобного «супераккумулятора» ведется уже много лет по самым разным направлениям: это и маховики, и устройства на основе сжатия газов, и разнообразные электрические аккумуляторы, и водородная энергетика, и многое другое. Увы, пока создать отвечающую всем предъявляемым требованиям технологию не удалось, и перспективы ее создания туманны. Стоит отметить прогресс в совершенствовании аккумуляторов, сделавший возможным создание вполне практичных электромобилей, но одно дело — аккумулятор для автомобиля, а другое дело — для электростанции в тысячи раз большей емкости.

Тем не менее даже и без «супераккумулятора» имеющимися методами (ГЭС, ГАЭС, газотурбинные станции, резерв в виде традиционной энергетики, переброска электроэнергии между энергосистемами, оптимальное сочетание различных видов возобновляемой энергетики) вполне возможно обеспечить надежность энергосистемы при доле ВИЭ в 50% и даже более.

Частные трудности

Итак, существующие технологии принципиально не позволяют довести долю возобновляемой энергетики до 100%. Кроме того, каждая разновидность ВИЭ имеет свои собственные ограничения.

1. Солнце. Панель с фотоэлементами можно прикрутить в любом месте, где хотя бы иногда светит солнце. Благодаря этой впечатляющей простоте солнечная энергетика ежегодно демонстрирует впечатляющие темпы роста. С дальнейшим совершенствованием технологии производства, снижением стоимости и повышением КПД ее конкурентоспособность будет только возрастать.

Но солнечная энергетика имеет естественное ограничение в виде количества попадающей на поверхность земли солнечной энергии, которое сильно снижается в высоких широтах. С совершенствованием солнечных панелей граница их экономически эффективного применения сдвигается все дальше на север, но этот процесс займет еще не один год. При этом, что интересно, солнечные электростанции уже доказали свою эффективность в Якутии. В маленьких изолированных энергосистемах их электричество оказывается значительно дешевле, чем энергия дизельных станций, работающих на топливе — чрезвычайно дорогом из-за сложной схемы доставки.

2. Ветер. Ветряные электростанции к настоящему времени достигли высокого конструктивного совершенства, и технологических прорывов здесь ждать не приходится. В густонаселенных странах развитие ветроэнергетики начинает тормозиться сложностями с выделением земель. В результате новые ветроэлектростанции все чаще выносят в море, что приводит к повышению стоимости проектов. Но в целом ветроэнергетика обладает огромными возможностями для дальнейшего ввода мощностей, особенно в развивающихся странах.

3. Вулканы. Геотермальная энергетика естественным образом ограничена районами вулканической активности и не занимает заметной доли в общем энергобалансе. Ведущиеся разработки с целью использования тепла глубинных горных пластов вряд ли смогут конкурировать по экономическим параметрам с ветровой и солнечной энергетикой.

4. Биотопливо. Конкурентоспособность использования биомассы для получения энергии не очевидна. Даже при наличии отработанных технологий она ограничена ресурсной базой: население планеты растет, и сельхозугодья все более востребованы для того, чтобы обеспечить людей продуктами питания. Растить сельхозкультуры на топливо в таких условиях становится все менее целесообразно.

5. Волны и приливы. Приливная энергетика в своем классическом виде (с отгораживанием плотинами целых заливов) так и не смогла стать экономически эффективной. Более перспективной представляется активно разрабатываемая сейчас технология «подводного ветряка», приводимого в действие приливными течениями. Такие установки уже созданы и работают, перспективы их совершенствования оптимистичны. Волновая энергетика при всем своем колоссальном потенциале на данный момент так и не вышла из стадии экспериментов, и в ближайшее время не видно предпосылок к изменению ситуации.

Прогноз

Каким будет будущее возобновляемой энергетики в ближайшие 20–30 лет? Нас ждет ее дальнейшая экспансия, особенно в развивающиеся страны. Новые технологии будут делать ее все более дешевой и экономически эффективной. При этом традиционная энергетика будет продолжать сдавать свои позиции, главным образом из-за все более жестких экологических ограничений.

Как и сейчас, в сфере ВИЭ будут абсолютно доминировать ветровая и солнечная энергетика, с постепенным увеличением доли последней.

Ряд стран столкнется с вопросом обеспечения надежности энергосистем при росте доли ВИЭ до 50% и более, что может несколько затормозить развитие сектора, но не станет неразрешимой проблемой.

При поддержке: