В России на наших глазах на всех уровнях — и государственном, и корпоративном — происходит быстрое осознание неотменимости мирового тренда на освоение «зеленой» энергетики. И это несмотря на то, что прямо сейчас в мире разворачивается кризис, очевидно связанный со слишком поспешной попыткой отказаться от инвестиций в традиционные виды энергии и перенаправить их на альтернативные.

Кризис перехода

В ряде провинций Китая ограничивают потребление электроэнергии, электростанции в Индии находятся на грани истощения угля, средняя цена бензина в Соединенных Штатах c апреля выросла на 30%, а европейцы платят заоблачные цены за газ (в Великобритании стоимость природного газа в последнее время выросла на 700%). Как заметил президент Владимир Путин на Российской энергетической неделе, «в последнее десятилетие в европейскую энергетику закладывались системные изъяны, стабильные долгосрочные контракты замещались покупками на спотовом рынке, при возросшей доле в энергобалансе Европы возобновляемых источников энергии снижение выработки на ветряных электростанциях в отсутствие резервов привело к дефициту электроэнергии, который и стал триггером роста цен на газ».

Почти все аналитики согласны с тем, что, вероятно, Европа отошла от энергии на ископаемом топливе слишком рано — по крайней мере до того, как смогла обеспечить достаточное количество возобновляемых источников энергии на случай чрезвычайной ситуации.

Мир прожорлив: в день улетает примерно 320 млрд киловатт-часов. Это равно примерно 22 лампочкам на человека, горящим нон-стоп. Причем 62,9% электроэнергии в мире производится из ископаемого углеродного топлива, прежде всего угля, а не гораздо более экологичного природного газа. Ископаемые виды топлива до сих пор удовлетворяли спрос, потому что они упаковали в себе миллионы лет солнечной энергии; сейчас мир пытается взять энергию солнца в режиме онлайн, без миллионов лет на его утилизацию.

Это обусловлено тем, что в мире, похоже, снова появилась идеология, которая определяет тренды в политике, бизнесе и науке. Климатические изменения стали общепризнанными и наглядными, и идея спасения планеты пришла на место социалистической идеологии и идее мировой демократии.

В 2021 году Европа пережила самое жаркое лето за всю историю наблюдений. Пока лесные пожары бушевали в Австралии, Амазонии и Сибири, мы справили похороны исландского ледника Окйекудль.

Ледники Гренландии и Арктики тоже тают, пусть и без мрачных празднований. Уровень Мирового океана с 1900 года поднялся примерно на 21 см: вода подтапливает мир в два с половиной раза быстрее, чем десять лет назад. ООН предостерегает, что если глобальная температура будет расти такими же темпами, то к 2050 году нам придется иметь дело с таянием вечной мерзлоты.

На этом фоне стала очевидна смена политико-экономической модели мира.

Экологический план EU Green Deal, представленный Еврокомиссией 14 июля, предполагает снижение к 2030 году выбросов углекислого газа на 55%. В частности, с помощью углеродного налога. Этот налоговый режим делает наличие у производителей большого углеродного следа, то есть нагревающих планету парниковых газов вроде углекислого газа, метана и оксида азота, дорогим удовольствием. Финляндия, Польша, Норвегия, Швеция, Дания, Нидерланды и Германия ввели углеродный налог еще в 1990-х. Сейчас таких стран 27. Где-то «наследить» углеродом дороже — одна тонна выбросов углерода в Швеции обойдется в 116 евро; где-то — дешевле: в Польше и Украине та же тонна облагается налогом в один евро. Различается налог и по тому, с каких парниковых газов он взимается: с диоксида углерода, метана, фторированных газов, всего сразу. В Испании налог на выбросы углерода применяется только к фторированным газам — лишь три процента от общего объема выбросов в стране. Норвегия, напротив, покрывает налогом более 60% своих выбросов.

После введения налога на углерод выбросы парниковых газов упали в Германии, Финляндии, Польше, Швеции, резко упали — в Дании.

И это больше не вопрос внутренней политики стран. В Евросоюзе с 1 января 2023 года (переходный период должен завершиться к концу 2025-го) будет введен трансграничный углеродный налог. Импортеров вынудят покупать у ЕС цифровые сертификаты на каждую тонну условного углекислого газа, выброшенную в атмосферу при производстве и транспортировке соответствующего товара свыше допустимой нормы. Введение такого налогового регулирования планирует начать ЕС. Минэкономразвития России оценило будущие потери российского экспорта в 7,6 млрд долларов в год в результате уплаты углеродного налога при поставках в ЕС российского железа, стали, алюминия, труб, электроэнергии и цемента. Чтобы ЕС не мог взимать с российских экспортеров платежи по своему усмотрению, в российском правительстве запустили разработку национального варианта углеродного налога. Когда его признают на международном уровне, платежи за выбросы в России будут зачтены европейской системой контроля, что, вероятно, уменьшит трансграничный налог. Для того чтобы иметь аргументы в политэкономической борьбе, Россия ускорила инвестиции, в том числе в науку: так, в этом году в семи регионах страны (Чеченской Республике, Краснодарском крае, Калининградской, Новосибирской, Сахалинской, Свердловской и Тюменской областях) начали работать карбоновые полигоны, на которых можно будет системно исследовать и корректно оценивать углеродный баланс на нашей территории. Но при этом генеральный директор ФГБУ «Российское энергетическое агентство» (РЭА) Минэнерго России Алексей Кулапин заявил о затруднениях в диалоге с ЕС, в том числе из-за отсутствия единой системы оценки углеродного вреда. «Нивелировать эти риски поможет разработка национальной системы углеродного регулирования и ее гармонизация с мировыми стандартами», — сказал он.

При этом нельзя сказать, что климатическая повестка является способом создания экономических преимуществ для развитых стран. Такая игра, конечно, идет, но тренд глубже и определяется интересами массы крупнейших мировых корпораций и финансового сектора, и этом смысле он трансграничный. Так, российский Сбер включился в создание финансовых инструментов «зеленой» энергетики и с конца прошлого года запустил собственную блокчейн-платформу для продажи «зеленых сертификатов», которые обеспечивают посредничество между производителями «зеленой» энергии и потребителями. Такие сертификаты уже купили компании «Полюс», «Щекиноазот» и «Куйбышевазот». Климатическая повестка больше не вопрос исключительно экологической или энергетической политики, а стремление управлять мировыми финансовыми потоками.

Крупные российские компании заметили смену мировой парадигмы за годы до того, как ЕС объявил о введении трансграничного углеродного налога. Важным маркером здесь стали Китай и, конечно, США. В 2019 году на развитие альтернативной энергетики мир потратил 219,2 млрд долларов. Китай вложил около 83,4 млрд, Япония и США заняли второе и третье место — 55,5 млрд и 16,5 млрд долларов соответственно в 2021 году.

В прошлом году председатель КНР Си Цзиньпин пообещал, что Китай пройдет пик потребления углеродных источников энергии к 2030 году и достигнет углеродной нейтральности к 2060-му. Китай уже к середине 2010-х стал лидером по абсолютным объемам возобновляемых источников энергии. По данным Национального агентства по охране окружающей среды КНР, к концу 2020 года в Китае было произведено 281,5 ГВт энергии ветра и 253,4 ГВт солнечной энергии (вместе все виды возобновляемых источников составляют 15% произведенной в 2020 году электроэнергии, 62% которой дает уголь).

Количество научных публикаций Китая по темам экологии и устойчивого развития с 2016 года выросло на 138% — до 30,5 тыс. публикаций в год. Следом идут США, которым президент Джо Байден поставил цель перейти на возобновляемую электроэнергию к 2035 году. Ветер надувает США 117,7 ГВт энергии, около 100 ГВт нагревает солнце, а в научных журналах появляется 19,5 тыс. «зеленых» публикаций в год от американских исследователей.

Большая часть исследований посвящена совершенствованию солнечных батарей, часть — масштабируемости существующих технологий (как уменьшить ветряные турбины в размерах), чуть меньше — хранению и передаче избытка «зеленой» энергии.

Вложения в науку и технологии — ключевые для прогноза на будущее: в какой мере «зеленая» энергетика будет общественной, политической и финансовой модой, блефом и пузырем, а в какой — технологическим будущим человечества.

Фотовольтаика: в погоне за солнцем

Большинство технологических идей, которые сейчас используются в «зеленой» энергетике, довольно старые, и фундаментальных научных проблем с ними немного (если только не брать в расчет перспективу использования термоядерной энергии). Речь в публикациях чаще всего идет о способах удешевления и повышении эффективности известных технологий. Первая ветровая электростанция с инерционным аккумулятором была построена Анатолием Уфимцевым в Курске еще в 1931 году.

В 1910 году Элберт Хаббард напечатал интервью с Томасом Эдисоном, в котором изобретатель критиковал существующую мировую энергетическую систему: «Я считаю, что схема сжигания [ископаемого топлива] для получения энергии расточительна. Это старая глупая идея Прометея… Видите ли, мы должны использовать природные силы… Солнечный свет — это форма энергии, а ветры и приливы — это проявления энергии. Мы их используем?»

Ежечасно на Землю падает 430 квинтиллионов (восемь нулей!) джоулей энергии от солнца. Этого достаточно, чтобы в течение года обеспечивать весь мир энергией. Крохи энергии от щедрого солнца ловят солнечные панели. Свет падает на кремниевые пластины, покрытые разными веществами: бором и фосфором. На пластине с фосфором образуются свободные электроны, под воздействием света они начинают двигаться — и возникает постоянный ток. Инвертор затем преобразует постоянный ток от солнечных панелей в переменный — и где-то загорится лампочка.

Поначалу солнечные панели строили как крыло самолета — вернее как крыло спутника: экономически целесообразно было использовать их лишь для получения энергии в космосе. (Кстати, советский «Союз-1» в 1967 году стал первым космическим кораблем на солнечных батареях с человеком на борту.) Но хотя сейчас они стали дешевле и облепили крыши домов в экологически сознательных странах, цена их по-прежнему высока. Чтобы сделать кремниевый солнечный элемент, придется раздобыть очень чистый кремний, потратить кучу энергии, чтобы нагреть его до 1400 °C и кристаллизовать, а потом осадить на подложку. Выходит дорого, хотя и значительно дешевле, чем на заре разработки таких элементов.

Поэтому одно из направлений фотовольтаики — удешевление производства солнечных панелей. Вместо того чтобы изготавливать ячейки из кремниевых пластин, можно найти некоторое вещество, которое будет хорошо поглощать свет, проводить электричество, в нем будут возникать свободные носители заряда, и при этом вещество не будет требовать дорогого производства. Вещество при этом можно просто нанести, «напечатать» тонким слоем на носителе. Такие вещества нашлись — это перовскиты. То, что тончайшая пленка (500 нанометров) перовскита может преобразовывать солнечную энергию, было открыто еще в 2012 году, и до практического применения дело дошло очень быстро — быстрее, чем открытие графена. Вообще, перовскит — это довольно редкий минерал, титанат кальция, имеющий очень интересную структуру с большим атомом, окруженным «псевдоготическими» решетками. Сейчас перовскитами называют целый комплекс соединений, имеющих сходную структуру с фотоэлектрическими свойствами, например галогениды свинца. «Гибридные галогенидные перовскиты в настоящий момент являются самым интенсивно исследуемым классом материалов в мире, обладающим выдающимися оптическими и электронными свойствами», — объясняет руководитель исследований, заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ Алексей Тарасов, в портфеле лаборатории которого уже есть несколько патентов эффективных перовскитов.

Первые солнечные элементы на основе перовскита в 2009 году преобразовывали не очень впечатляющие четыре процента энергии солнечного света в электричество, в 2013-м доросли до 13%, а к 2020-му взлетели до 25,2%. Лучшие кремниевые солнечные батареи имеют такой же КПД, а значит, перовскиты уже догнали своего конкурента. Помимо относительно легкого производства у перовскитов есть недоступное кремниевым панелям преимущество: слегка изменяя состав слоев материала, можно сделать так, что они будут чувствительны к разным длинам световых волн. Потенциально перовскитная пленка может содержать достаточно слоев, чтобы эффективно генерировать электричество сразу от всех участков видимого диапазона света. Но вот беда: перовскиты оказались нестойкими. А кроме того, хотя они и не загрязняют воздух углекислым газом, но вполне могут загрязнить почву содержащимся в них свинцом. Вероятно, мы входим в эпоху гибридов: в 2018 году группа исследователей из стартапа Oxford Photovoltaics скрестила «соперников» — перовскиты и кремний — и получила фотоэлемент с рекордной производительностью: 28% энергии солнечного света преобразовывалось в электричество.

Национальный фонд естественных наук Китая, крупнейшее в стране агентство по грантовому финансированию, направляет средства на другое «солнечное» направление: энергию можно вырабатывать за счет тепла солнца, а не его света.

Концентрируемый с помощью зеркал или линз до высокой интенсивности свет испаряет жидкость. Полученный пар вращает турбину и создает переменный ток. В уезде Дуньхуан, расположенном в провинции Ганьсу на северо-западе Китая, 12 тысяч зеркал концентрируют солнечный свет на приемнике, расположенном на вершине солнечной башни, который затем нагревает расплавленную соль. Использование расплавленной соли в качестве накопителя энергии позволяет вырабатывать электричество круглосуточно. Соль испаряется, вращает турбину и может произвести 390 млн киловатт-часов электроэнергии в год. Если переводить на язык углеродных выбросов, то это ежегодное сокращение выбросов углекислого газа на 350 тыс. метрических тонн в год.

Как хранить ветер и солнце

В отличие от ископаемых видов топлива, которые одновременно способны и генерировать энергию, и хранить ее, возобновляемая энергия должна быть собрана и сохранена в какой-либо форме. Если хранилища не будет, «зеленая» энергия пропадет зря. В 2017 году более 30% энергии, произведенной солнечными батареями и ветровыми турбинами в провинциях Синьцзян и Ганьсу на северо-западе Китая, так никогда и не были использованы. Энергию не удалось ни сохранить, ни доставить в густонаселенные мегаполисы. Со схожей проблемой сталкивается Дания: страна — лидер ветроэнергетики, получающая до 40% своего электричества от ветротурбин, иногда вынуждена практически задаром сгружать избыток электроэнергии соседним Норвегии и Германии.

Хранить возобновляемую энергию можно в аккумуляторах: литий-ионных, проточных, натрий-серных. Можно в водороде (избыточная энергия идет на электролиз водорода) или синтетическом природном газе (избыток электроэнергии идет на электролиз с образованием водорода, а затем соединяет его с CO₂ для получения метана). Можно использовать избыток энергии для создания механических сил: перекачивать воду на возвышенности, а когда требуется, извлекать электроэнергию из ее обратного движения; сжимать воздух в резервуарах высокого давления, а когда требуется, спускать его; использовать электричество, чтобы охладить воздух до тех пор, пока он не сжижится, а когда придет время, возвращать жидкий воздух в газообразное состояние и использовать этот газ для вращения турбины и выработки электроэнергии.

Большинство систем хранения все еще находятся на стадии разработки или локальных опытных образцов: они слишком дорогие, малоэффективные, небезопасные и сложные. На практике пока используются перекачивание воды, хранение воздуха в резервуарах высокого давления, синтетический газ и водород. Последние два способа пока экономически невыгодны: по данным Международного энергетического агентства (International Energy Agency, IEA), выработка водорода из натурального газа обходится в два-три раза дешевле, чем с помощью возобновляемых источников энергии. А закачивание воды на возвышенность требует наличия этой возвышенности где-то рядом с генераторами «зеленой» энергии.

Но между нами и эффективными способами хранения «зеленой» энергии — расстояние лишь в десятилетие. Страны-лидеры вовсю занимаются их разработкой. В 2017 году Китай выпустил документ «О хранении энергии», в котором подчеркивалась необходимость разработки более дешевых и безопасных батарей, способных удерживать больше энергии, для повышения способности страны хранить производимую энергию. Исследования включают в себя создание крупномасштабных аккумуляторных систем. В Даляне к 2023 году планируют построить самую большую установку хранения энергии в 800 мегаватт-часов. Для сравнения: сейчас самая крупная «батарейка» построена Tesla в Австралии и имеет мощность в восемь раз меньше — 129 мегаватт-часов. Гигант из Даляна также отличается принципом работы, он не литий-ионный (такие аккумуляторы используются в электрокарах), а работает на проточных ванадиевых батареях. Энергия в них хранится в виде электролита, а не в электроде. Ванадиевые батареи лучше: их дешевле и легче масштабировать до нужных (гигантских) размеров, они менее подвержены возгоранию и имеют примерно в десять раз больший срок службы. Однако эффективность их меньше, чем у литий-ионных, на 25%.

Но самые большие надежды возлагают на водород: это топливо без выбросов, которое горит, не оставляя ничего, кроме водяного пара, который, впрочем, тоже парниковый газ, но об этом пока мало кто думает. Водород может быть топливом для машин, может быть преобразован в тепло для домов и энергию для заводов. Водород используют в промышленности: для нефтепереработки, в производстве аммиака, метанола и стали. Сейчас водород производят с помощью угля и газа, потому его производство, по данным IEA, обходится нам в 830 млн тонн CO₂ в год. Но стоимость производства водорода из возобновляемых источников энергии — ветряных турбин и солнечных панелей — к 2030 году может снизиться на 30%, и тогда чистый водород станет жизнеспособным для крупного промышленного использования. Аналитики BofA Securities считают, что к 2050 году водород от возобновляемых источников может обеспечить примерно четверть мировых энергетических потребностей, что много больше, чем всего четыре процента энергии, которую водород поставляет сегодня.

Слабая экономическая эффективность новых энергетических технологий по сравнению с традиционными источниками не отпугивает крупных инвесторов. Одиннадцатого октября в немецкой коммуне Верльте был открыт первый в мире завод по производству синтетического керосина, сырьем для которого служит углекислый газ, получаемый из атмосферы, а другим источником сырья выступает водород, получаемый электролизом на «зеленых» электростанциях. Весь завод может за три недели произвести керосина на один полет небольшого лайнера. Но первый клиент, который покупает «зеленое» топливо (в несколько раз дороже, чем традиционное), — это Lufthansa. На открытии завода министр окружающей среды Германии Свенья Шульце заявила, что Германия не лучшее место для таких технологий, и откровенно призналась, что расчет сделан на продажу подобных технологий другим странам, которые будут вынуждены соответствовать климатической повестке.

Одомашнить энергию

Проблему передачи и хранения энергии можно решить иначе, чем высоковольтными проводами и батарейками-гигантами. Энергия ветра и солнца может обеспечивать так называемую распределенную энергию, то есть производить энергию в небольших масштабах прямо рядом с пользователем. Теоретически, чем больше домов будут производить собственную ветряную и солнечную энергию, тем менее загруженными будут центральные электростанции и линии электропередачи.

С солнечными панелями есть сложности: в зимний период их производительность очень низка (в Германии, к примеру, в декабре панели дают на 91% меньше энергии, чем в июле). При этом зимой потребность в энергии велика из-за начала отопительного сезона.

Ветер же, который в конечном счете есть движение нагретого солнцем воздуха, — еще один способ сбора солнечной энергии, который, однако, работает и зимой, и в пасмурные дни. Поэтому децентрализованная ветроэнергетика — перспективная область. До сих пор большинство компаний концентрировались на производстве мощных ветряных турбин, которые требуют огромных инвестиций и не могут быть установлены в городах по самым разным причинам: ветряки слишком большие, слишком шумные, слишком некрасивые, пока нет экономичных технологий экологичной утилизации лопастей, да и птицам мешают. Однако в последнее время появились небольшие «одомашненные» турбины. В Аризоне компания Southwest Windpower производит ветряные турбины с размахом лопастей около метра. Большинство их турбин предназначено для домов на колесах, парусных лодок и удаленных объектов вроде маяков. Производительность турбин-крох, увы, пока что тоже соответствует карманным размерам: 400 ватт, которых едва хватит на пару лампочек. Впрочем, Southwest Windpower сейчас тестирует новую разработку: турбина большего размера, расположенная на высоте телефонного столба, которая будет способна вырабатывать в пять раз больше — около двух киловатт при умеренном ветре.

Однако эффективность децентрализованной ветроэнергетики зависит от местоположения. Ветер хорошо дует над океанами и морями, отдаленными пустынями и высоко в горах — прямо скажем, не там, где люди предпочитают строить дома.

Есть ли у нас стратегия

340 млрд рублей, согласно планам правительства РФ, будет инвестировано в «зеленые» электростанции с 2025 по 2035 год. Доля возобновляемых источников в производстве электроэнергии до 2030 года может достичь четырех процентов. Это взрывной рост (сейчас меньше одного процента), но все же эти цели существенно меньше даже современной доли в мире (почти 11%). Россия делает «зеленый» переход медленнее лидеров и слабо растит технологических чемпионов в самой хайповой отрасли. С другой стороны, Россия претендует на роль стабилизатора энергетической системы континента на период перехода, как показал текущий энергокризис.

При этом технологии у России есть в самых разных областях. Не исчерпаны ресурсы повышения экологичности в традиционных видах энергетики. Например, в Казанском федеральном университете разработали катализаторы на основе никеля, которые позволяют переработать нефть прямо в пласте, технология уже была опробована. Вообще, задачи глубокой и экологичной переработки ресурсов, а также энергосбережения в ЖКХ и промышленности могут дать более быстрый эффект для климата и экологии, не говоря уже об экономике.

Но при этом в России есть продвинутые технологии и в собственно альтернативной энергетике, причем не только лабораторные, но и промышленные. За «солнце» в нашей стране отвечает ГК «Хевел», которая использует собственные гетероструктурные панели (на основе двух типов кремниевых полупроводников) с хорошим для мирового рынка КПД 24%, причем обещает нарастить его до 25–26% за два года. Совместно с «Русгидро» компания построила первую в России плавучую солнечную электростанцию на площадке Нижне-Бурейской ГЭС в Амурской области. «Хевел» делает панели не только для электростанций, но и для крыш домов, гибкие двусторонние панели для транспорта (например, такую гибкую панель брал с собой в путешествие на шлюпке Федор Конюхов).

Сверхпроводники компании «Суперокс» используются не только в экспериментальных реакторах, но с 2019 года на московской подстанции «Мневники». В сентябре 2021 года КамАЗ выпустил первый в России автобус на водородном топливе — он выглядит так же, как привычный москвичам электробус, но помощнее. «Россети» (по «Программе 30/30») строят сеть электрических заправок в 30 крупнейших городах России и на 30 ключевых шоссе испытывают технологии обратной выдачи мощности от электромобиля в сеть.

Но главным козырем России для будущего, похоже, является атомная энергетика. Только с учетом развития мирного атома сейчас можно технологически представить безуглеродную энергетику. Прямо сейчас на площадке Сибирского химического комбината «Росатом» строит завод по фабрикации и переработке топлива и инновационный реактор на быстрых нейтронах БРЕСТ-ОД-300. Впервые на одной площадке будут реализованы АЭС с быстрым реактором и замкнутый ядерный топливный цикл. Замкнутый в том смысле, что отработанное топливо отправляется на рефабрикацию и снова идет в дело. С учетом политики возвращения отработанного атомного топлива из зарубежных реакторов и его вторичного использования это может быть не хайповым, но рационально понятным и экологичным предложением на мировом рынке, тем более что на своевременных реакторах аварии типа чернобыльской исключены. «Росатом» имеет и свое водородное подразделение, так что может быть готов к росту спроса на водород в мире. Кроме того, еще в 2019 году «Росатом» спустил на воду плавучую АТЭС «Академик Ломоносов». Но здесь будет серьезная мировая конкуренция — например, совсем недавно Seaborg Technologies, стартап из Копенгагена, привлек сотни миллионов евро для начала строительства портативного ядерного реактора на плавучей платформе.

Россия наравне с миром участвует в строительстве термоядерного реактора ИТЭР, а в качестве одного из этапов овладения термоядерной энергией 18 мая 2021 года в Курчатовском институте был запущен токамак Т-15МД — первое за двадцать лет в России изделие такого уровня в термоядерной отрасли. Но задача управляемого термоядерного синтеза — это как раз передний край науки, та область, где возможен (но, конечно, не гарантирован) именно прорыв, который изменит лицо мира, а не только постепенное увеличение эффективности новой энергетики.