Энергия для будущего
Парижское соглашение по климату в 2015 году заключали 192 страны, договорившиеся не допустить повышения средней температуры на планете к 2100 году более чем на 2 °C по сравнению с доиндустриальной эпохой. Но как это сделать? Уже в 2017-м США вышли из соглашения: слишком невыгодно в краткосрочной перспективе — пусть другие занимаются глобальными проблемами. Цивилизации нужно все больше дешевой энергии, а как ее получить, если не из угля, нефти и газа? Климатические последствия настанут когда-нибудь потом, а энергия нужна прямо сейчас. Проблему очень трудно решить только за счет воспитания сознательного отношения к экологии — людей, которые принимают сегодня глобальные решения, так просто не перевоспитать. Ключ к решению — альтернативная дешевая энергия. Но где ее взять?
Прогнозы по энергетике сегодня строятся в основном на 2040 год.
— Институт энергетических исследований РАН рассматривает три сценария: консервативный (сохранение текущей ситуации), инновационный (ускорение развития технологий) и наиболее прогрессивный — энергопереход, — говорит академик Сергей Алексеенко, заведующий лабораторией проблем тепломассопереноса Института теплофизики СО РАН, лауреат премии «Глобальная энергия — 2018». — Энергопереход — это глобальная трансформация энергосистем, состоящая из четырех элементов: энергоэффективности, декарбонизации, децентрализации и цифровизации.
В 2018 году лишь 36% энергии генерировалось с помощью низкоуглеродных технологий; всю остальную энергию давали уголь, нефть и газ. В этом же году объем выбросов парниковых газов в атмосферу достиг исторического максимума. По данным Института мировых ресурсов, больше всех загрязняют воздух главные потребители ископаемых углеводородов — Китай (28% от общемировых выбросов), США (15%) и Индия (7,3%).
Часть аналитиков считает, что до середины века ситуация с источниками энергии кардинально не изменится. Смелее в оценках компания McKinsey Energy Insights: она прогнозирует, что электрогенерация удвоится к 2050 году — именно за счет возобновляемых источников, которые к тому времени будут давать 73% ее объема. Отдельные страны строят грандиозные планы: так, Дания собирается к 2030 году вырабатывать 100% электричества с помощью возобновляемых источников.
Другая важнейшая тенденция — развитие систем хранения энергии. В начале октября премию «Глобальная энергия», вручаемую ученым всего мира за разработки в энергетике, получили авторы исследований как раз в этой сфере. Датский профессор Фреде Блобьерг был награжден за вклад в развитие интеллектуальных систем управления для возобновляемой энергетики, а американский профессор Халил Амин — за разработки для различных типов батарей и аккумуляторов.
Особенно остро вопрос накопления стоит сегодня в сегменте возобновляемой энергии. Она все более конкурентоспособна: скоро будет выгоднее строить новые ветровые и солнечные станции, чем эксплуатировать старые тепловые. Уже сегодня самое дешевое электричество вырабатывает ветроэнергетика, за ней следуют солнечные панели, а дальше с большим отрывом — парогазовая генерация, говорится в докладе инвестиционного банка Lazard.
Поэтому неудивительно, что инвестиции в зеленую энергию достигают рекордного уровня. И не только на Западе — в топ-5 стран по вложениям сегодня входят Китай (70 миллиардов евро в год), США, Япония, Индия и Германия. На что же направляются эти средства?
1. Нефть
Прогнозы
Главный источник энергии для современной цивилизации — нефть. По данным МАГАТЭ, в 2018 году на жидкие углеводороды приходилось 40% от мирового конечного энергопотребления (на электричество — всего 19%).
Нефть — это в первую очередь топливо. Конечно, ее используют не только для добычи энергии, но и как сырье для машинного масла, строительных материалов и бытовой химии, вездесущих пластика и синтетики. Но на неэнергетические нужды уходит лишь пятая часть «черного золота».
На постиндустриальном Западе спрос на жидкие углеводороды уже падает и будет падать. Но глобальный спрос на нефть не упадет в следующие двадцать лет, даже если все человечество пересядет с бензиновых автомобилей на электротранспорт, считают авторы доклада Global Energy Outlook (GEO). Ведь спрос неизбежно будет расти на гораздо более многолюдном Востоке и в Африке вместе с ростом потребностей развивающихся экономик.
Нефть — невозобновляемый ресурс, а значит, однажды его общемировая добыча должна достигнуть пика. Разные исследователи «назначали» пик добычи сначала на 1970-е, затем на 2000-й и на 2025-й годы. Пока максимум не пройден.
Проблемы
Нефтедобывающую отрасль сдерживает Парижское соглашение, обязывающее сокращать выбросы углекислого газа, чтобы не усиливать климатический кризис. Для этого нужно или лучше очищать выхлопы, или сжигать меньше ископаемого топлива.
Запасы нефти неизбежно закончатся. С 1984 года ежегодная мировая нефтедобыча обгоняет объем разведки. Известные месторождения исчерпаются через 40–60 лет, а в России — уже через 20 лет, говорит академик Сергей Алексеенко.
Решения
Временным решением может стать добыча сланцевых нефти и газа, запасы которых огромны: 2,8 – 3,3 триллиона баррелей извлекаемой сланцевой нефти против 1,7 триллиона баррелей традиционной. По словам Сергея Алексеенко, к 2040 году ожидается 10–13% сланцевой нефти в общей нефтедобыче. «Но эти виды газа и нефти относятся к трудноизвлекаемым — с сопутствующими экологическими проблемами», — подчеркивает ученый. Требуется больше буровых работ, скважины быстрее истощаются, химикаты в буровых жидкостях загрязняют грунтовые воды. Сланцевые углеводороды сосредоточены в малых замкнутых полостях в плотной непроницаемой породе, поэтому используются метод гидроразрыва пласта и горизонтальное бурение, чтобы соединить полости и собирать ископаемые с больших пространств.
Преимущества нефти — высокая плотность энергии (количество энергии на единицу объема) и удобство транспортировки по сравнению с углем и газом. Поэтому индустрия пытается найти заменитель. Например, есть идея делать жидкое биотопливо из микроводорослей или из отработанного растительного масла. На таком горючем авиакомпания Finnair этим летом совершила два пассажирских рейса из Сан-Франциско в Хельсинки.
2. Газ
Прогнозы
Сгорая, газ дает энергию для приготовления пищи и обогрева, для движения транспорта, для выработки электричества. При сжигании он выделяет меньше углекислого газа, чем уголь или нефть, поэтому в ближайшие десятилетия энергоноситель будет востребован даже при экологических ограничениях.
Потребление газа вырастет в развивающихся регионах — Китае, Южной и Центральной Америке, Индии, говорится в докладе GEO. К 2040 году природный газ станет вторым после нефти крупнейшим источником энергии (сейчас второй — уголь) c долей 27%.
— Но разведанных месторождений газа миру хватит всего на 40–60 лет, а России — на 80, — говорит Сергей Алексеенко. — Тут наша страна лидирует, у нас около 18% мировых запасов.
Проблемы
У газовой энергии есть три главные проблемы. Во-первых, эти ресурсы все-таки истощаются, даже если распространится технология добычи сланцевого газа. Во-вторых, природный газ небезопасен из-за угрозы взрыва — как для рабочих в процессе добычи, так и для потребителя при эксплуатации. В-третьих, при его сжигании выделяется углекислый газ, пусть и не так много.
Решения
Первое решение — использовать газ, который теряется при добыче нефти. Еще недавно эти попутные нефтяные газы (ПНГ) из соображений безопасности просто сжигали, отчего возникали характерные факелы на нефтяных вышках и химзаводах. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), в 2017 году в мире было сожжено около 140 миллиардов кубических метров ПНГ, что эквивалентно годовому потреблению газа всей Африкой. Вдобавок в атмосферу из-за этого было выброшено около 270 миллионов тонн CO2. Поэтому все больше стран собираются ликвидировать эту практику к 2030 году. В прошлом году Всемирный банк объявил, что Россия стала мировым лидером по снижению объемов сжигания ПНГ.
Другая задача — использовать выхлопы. Технология улавливания и захвата углерода вошла в число 100 инновационных прорывов будущего, согласно докладу Евросоюза 2019 года. Идея в том, чтобы собирать углеродосодержащие газы из дымовых труб.
Еще один вариант — переход с ископаемого на синтетический газ, производимый с помощью зеленой электроэнергии, или на биогаз, например из рисовой шелухи, — именно так обеспечивается электричеством индийская деревня Тамакуай Радж.
3. Уголь
Прогнозы
Уголь используется как топливо на тепловых электростанциях и в теплоснабжении. За четверть века мировой спрос на него увеличился, но неравномерно: на Востоке вырос втрое, а на Западе сократился на треть.
Однако даже в развитых странах уголь еще играет заметную роль — так, с его помощью производится 35% немецкой электроэнергии. И в общемировой электрогенерации этот энергоноситель пока доминирует: в 2015-м угольные ТЭС давали 39% электричества.
Но в ближайшие десятилетия уголь будет терять долю рынка. Хотя разведанных месторождений угля миру хватит на 150–200 лет, по словам Сергея Алексеенко, а Россия исчерпает свои 18% всех запасов (второе место в мире) лишь через 400 лет.
Проблемы
Плохие времена ожидают угольную отрасль из-за климатического кризиса и Парижского соглашения, ведь уголь — самый экологически грязный среди ископаемых углеводородов. Кроме того, его добыча слабо автоматизирована и требует присутствия под землей шахтеров, которые вдыхают угольную пыль и рискуют пострадать от взрыва скопившегося метана.
Поэтому развитые страны отказываются от угля в пользу возобновляемой энергии. Та же Германия собирается отказаться от угольной генерации электричества к 2038 году, а последняя угледобывающая шахта закрылась там в декабре 2018 года.
Еще одно обстоятельство — уголь начинает проигрывать зеленой энергии в цене, причем не только в Европе. Например, в ходе исследования в Индонезии, Вьетнаме и на Филиппинах организация Carbon Tracker выяснила, что проекты строительства новых угольных ТЭС в этих странах на общую сумму 120 миллиардов долларов — рискованные, потому что уже через десять лет строительство новой солнечной или ветроэлектростанции обойдется дешевле эксплуатации угольной ТЭС.
Решения
По мнению спецпредставителя президента России по вопросам климата Александра Бедрицкого, уголь все равно будет востребован в промышленности — его трудно заменить при отливке стали и производстве стройматериалов. Поэтому задача новых технологий — максимально повысить угольный КПД. Такие методы, как газификация угля (неполное его сжигание с получением горючего газа, который тоже потом используют), позволяют поднять КПД с 36%, как на типичной ТЭС, до 50% и выше.
Другая стратегия — переводить угольные электростанции на альтернативное топливо, например на древесные отходы — щепки и ветки. На него в конце 2019 года переключится крупнейшая угольная ТЭС Дании — Asnæs Power Station мощностью 782 мегаватт, что снизит выбросы СО2 на 800 тысяч тонн в год. На угольных электростанциях можно сжигать и биоуголь, получаемый из органических отходов.
— Так можно отказаться от мусоросжигательных заводов, которые имеют более низкий по сравнению с угольными электростанциями КПД, — объясняет Михаил Власкин, победитель конкурса «Энергия молодости» 2009 года, заведующий лабораторией энергоаккумулирующих веществ ОИВТ РАН. По прогнозу МЭА в 2035 году энергетический потенциал мусора составит более 20% от потенциала угля.
4. Солнце
Прогнозы
— Самый перспективный вид возобновляемой энергии — солнечная. Ее запасы практически неограниченны, и с точки зрения экологии она создает меньше всего проблем, — говорит Сергей Алексеенко.
Рынок фотоэлектрических преобразователей растет очень быстро — более чем на 28% в год.
— Сегодня это ключевой сектор мировой электроэнергетики по объемам вводимых мощностей, — утверждает Антон Усачев, директор Российской ассоциации предприятий солнечной энергетики. — По общей мощности солнечной энергетики и выработке лидирует Китай, по мощности на душу населения первое место занимает Германия, а самая большая доля солнца в электрогенерации у Гондураса — в 2017 году она составляла 10%.
Себестоимость солнечных батарей стремительно падает.
— В самых благоприятных с климатической точки зрения регионах солнечная энергетика производит самое дешевое в мире электричество, — говорит Владимир Сидорович, директор информационно-аналитического центра «Новая энергетика».
Рекордно низкая цена — около 1,5 рублей за киловатт-час, — на открывшейся в этом году в ОАЭ крупнейшей в мире фотоэлектрической станции Noor Abu Dhabi мощностью 1,2 гигаватт, способной обеспечить 90 тысяч человек.
Во многих случаях уже сейчас выгодней строить новые проекты альтернативной энергетики, чем поддерживать существующие обычные электростанции. Но не стоит переоценивать скорость развития солнечной энергетики. По разным прогнозам, в 2040 году из солнечной энергии будет генерироваться от 4 до 25% всего электричества.
Проблемы
Основная проблема солнечной энергетики — низкая эффективность. Из-за теоретических ограничений фотоэлементов по КПД (около 30%) для солнечных электростанций нужна большая территория.
Еще одно важное обстоятельство — нестабильная выработка в течение суток и в течение года. Производительность солнечных станций также снижают смог и жара, им нужна прохладная и ясная погода — «мороз и солнце, день чудесный». Развитие сектора сильно зависит от технологий промышленного хранения электроэнергии, попросту — электрических запасов, но это общая проблема всех возобновляемых источников энергии.
Решения
Все задачи фотоэнергетики постепенно решаются.
— В последние годы ученые работают над созданием технологии промышленного производства многокаскадных солнечных элементов и снижением их себестоимости; их КПД на порядок выше, — сообщает Антон Усачев.
Эффективность повышают новые материалы. По словам Сергея Алексеенко, сегодня в 90% солнечных панелей используется кремний, но интерес вызывают фотоэлементы на основе арсенида галлия или алюминия, а также с перовскитом. Журнал Science включил этот материал в топ-10 прорывов 2013 года. Наслаивая его на кремниевые элементы, можно улавливать больший диапазон длин волн, то есть больше света.
Российские ученые также изучают работу фотоэлементов при экстремально низких температурах, например в Арктике. А чтобы собирать энергию солнца с непрямых поверхностей, корейские материаловеды изобрели фотоэлектрическую краску, способную генерировать до 4 мВт/см2.
Пока одни придумывают технологии, другие экспериментируют. Во Франции и Голландии с переменным успехом тестируют покрытые солнечными панелями автомобильные дороги. А в Китае построили 50-мегаваттную солнечную электростанцию в форме панды, различимой с высоты, — для популяризации альтернативной энергетики.
5. Ветер
Прогнозы
Ветер давно служит человечеству, надувая паруса и крутя жернова мельниц. Но сегодня ветростанции вырабатывают электричество, преобразуя в него энергию вращения лопастей. По данным Greenpeace, ветроэлектростанция в 75 раз меньше вредит климату, чем угольная.
В недалеком будущем сектор ветряной энергетики превратится из альтернативного источника энергии в один из основных. Стоимость ветрогенерации в последние годы падает так быстро, что ее нынешний рост превзошел прогнозы.
Еще к началу 2016 года общая мощность всех ветрогенераторов мира составляла 432 гигаватт, превосходя атомную энергетику. Ветряки произвели за год 3% мировой электроэнергии. А в 2018 году страны Европейского союза получили уже 14% всей электроэнергии с помощью 130 000 ветрогенераторов, и эти показатели продолжат быстро расти.
В России — свои успехи. В этом году «Роснано» и «Фортум» запустили в Ульяновской области ветроэлектростанцию мощностью 50 МВт, а ранее здесь появился первый в России промышленный ветропарк на 35 мегаватт. В Мурманской области «Энел Россия» строит Кольскую ВЭС мощностью 201 мегаватт.
В США крупнейшей является ветроэнергетика Техаса (мощность — 25 гигаватт), второго по площади и по численности населения штата.
— В 2017 году ветровые электростанции Техаса впервые обошли угольные по установленной мощности, а сегодня обходят их и по выработке, — рассказывает Владимир Сидорович. — За первое полугодие 2019 года ветроэнергетика штата выработала 22% электроэнергии, а угольная меньше — 21%.
Проблемы
Выработка ветряков зависит от силы ветра — фактора столь же непостоянного, как и солнечный свет.
— Хуже всего, когда пасмурно и безветренно. В энергетике Германии даже есть специальный термин, обозначающий такую погоду, — Dunkelflaute, «темный штиль». Если такая погода сочетается с высоким спросом на электроэнергию, ситуацию называют «холодным темным штилем», — рассказывает Владимир Сидорович. — И тут спасти снова могут системы промышленного хранения электроэнергии.
Мощность ветрогенератора зависит от размера лопастей и высоты над поверхностью. Ветрогегератор — это «вентилятор» размером с 35-этажный дом: например, турбина фирмы Vestas мощностью 3 мегаватта имеет высоту 115 метров и 90-метровые лопасти. Эти гиганты выдерживают ветра до 300 километров в час, однако в 2019 году в США обрушилось уже пять ветряных турбин.
Решения
Лучше всего для ветрогенерации подходят прибрежные зоны, где постоянно дует мощный морской ветер и никому не мешает шум. Возводить здесь ветряки дороже, чем на суше, однако Дания, Нидерланды и Германия даже собираются к 2030 году построить в Северном море искусственный остров. Расположенный там ветропарк на 70–100 гигаватт обеспечит энергией 80 миллионов европейцев.
— По объемам наземная ветроэнергетика больше, но офшорная будет расти быстрее, — считает Владимир Сидорович.
Для накопления электроэнергии есть разные решения: гидроаккумулирующие станции, электрохимические аккумуляторы и другие. По прогнозу Bloomberg New Energy Finance, суммарный объем инвестиций в ближайшие 20 лет на этом рынке превысит триллион долларов. По расчетам, с 2030 года самым дешевым способом хранения энергии будут литийионные аккумуляторы. Компания Tesla недавно представила новые батареи этого типа — Megapack на 3 МВт•ч. Их можно объединять в целые электростанции мощностью до 1 ГВт•ч, способные шесть часов питать все дома в Сан-Франциско.
— Системы накопления электроэнергии могут устанавливаться и использоваться отнюдь не только на электростанциях, но и у промышленных потребителей, в электрических сетях и на подстанциях, в распределительных сетях на стороне энергоснабжающих компаний, — говорит Игорь Чаусов, ведущий аналитик Инфраструктурного центра «Энерджинет». — Перспективным этот рынок видит и «Роснано», литийионные накопители выпускает его портфельное предприятие — новосибирский завод «Лиотех».
6. Атом
Прогнозы
Перспективы у атомной энергетики самые неопределенные. Сторонники приводят статистику, показывающую, что она самая безопасная, но противники опасаются, что катастрофа на АЭС может обернуться гораздо худшими последствиями, чем в Чернобыле и на «Фукусиме-1».
По данным МАГАТЭ, в конце прошлого года в мире действовало 450 ядерных реакторов общей мощностью 396 гигаватт, еще 55 были в стадии строительства. Сегодня 70% мирового атомного электричества вырабатывают пять стран — США, Франция, Китай, Россия и Южная Корея. Франция лидирует по доле АЭС в электрогенерации — здесь она превышает 70%; следом идут Словакия (55%) и Украина (53%).
Но пик развития атомной энергетики уже прошел, считают многие эксперты. Максимальная доля атомных станций в электрогенерации (17,5%) была достигнута еще в 1996-м, сегодня она составляет всего 10%. Наибольшая выработка была в 2006 году (2660 ТВт•ч). Число строящихся атомных реакторов падает уже несколько лет, а действующие останавливаются.
— На нынешнем технологическом уровне перспективы атомной энергетики печальны — она будет постепенно сворачиваться, — считает Владимир Сидорович.
В Европе от АЭС отказывается все больше стран. Бельгия закроет семь ядерных реакторов к 2025 году, хотя там эта отрасль производит более половины электроэнергии. Польская госкомпания PGE отказалась строить первую в стране атомную станцию в пользу офшорных ветряков. Жители Швейцарии на всенародном референдуме проголосовали за отказ от атомной энергетики. Германия закроет свои последние АЭС к концу 2022 года. К Европе присоединяется и Южная Корея, где действует energy U-turn — разворот в сторону от угольной и атомной энергетики.
Но в других регионах атомные проекты только стартуют: Саудовская Аравия намерена создать 16 атомных реакторов за двадцать лет, Китай к 2030 году собирается довести свои ядерные мощности до 58 гигаватт и построить реакторы в Пакистане, Аргентине и Румынии. Атом интересует развивающиеся регионы: больше всего АЭС строится в Китае.
И среди экспертов есть «атомные оптимисты». Так, прогноз МАГАТЭ предполагает двукратное увеличение установленной мощности всех АЭС к 2050 году. Но пока инвестиции в этот сектор сильно отстают от вложений в возобновляемые источники энергии. Сравните: c 2000 по 2016 годы в мировой ветроэнергетике было построено новых мощностей на 451 гигаватт, в солнечной энергетике — на 301 гигаватт, а в атомной — всего на 36 гигаватт.
Проблемы
Сооружать атомные станции долго и сложно. За последние 50 лет сроки строительства АЭС выросли в среднем в два раза, в том числе из-за новых требований безопасности после ядерных катастроф в Чернобыле и японской Фукусиме в 2011 году. Вывод из эксплуатации тоже недешев: по подсчетам, закрытие всех объектов в Швейцарии обойдется в 21,8 миллиардов долларов, большая часть которых будет направлена на утилизацию радиоактивных отходов. А в Великобритании даже офшорная ветроэнергетика уже существенно дешевле ядерной генерации.
При этом АЭС тоже погодозависимы. Так, несколько лет назад Франции пришлось импортировать энергию из Испании и Германии, когда из-за морозов 10 атомных энергоблоков перестали работать.
Решения
Новое направление в атомных технологиях — реакторы на расплавах солей. Их конструкция проще и безопаснее, чем обычные ядерные реакторы с твердым топливом и водяными теплоносителями. Хотя концепция была разработана в США еще в середине XX века, интерес вернулся к ней вместе с инвестициями в 2000-х.
Летом 2017 года впервые за 40 лет испытания безопасности жидкосолевых реакторов начали голландские исследователи, а в 2018-м был подписан первый контракт на строительство такой АЭС на площадке Национальной лаборатории штата Айдахо в США. Теперь и Китай собирается потратить 3,3 миллиарда долларов на строительство двух опытных жидкосолевых реакторов и наладить их коммерческое использование в 2030-х.
7. Реки
Прогнозы
Речные потоки вращают турбины гидроэлектростанций, вырабатывающих 16% мирового электричества. Это крупнейший низкоуглеродный источник энергии.
Для некоторых стран гидроэнергия является доминирующей; так, в Норвегии она дает 99% от общей генерации электричества, в Бразилии — около 63% (2017), в Парагвае — 100%, в Канаде — 54%.
В 2018 году глобальные мощности ГЭС составили почти 1292 гигаватт; из них более четверти расположено в Китае. За год было введено в эксплуатацию еще почти 22 гигаватт новых гидромощностей.
— Это приличный рост для такого старого сектора энергетики, — сообщает Владимир Сидорович, — в текущем десятилетии он растет так быстро, как давно уже не рос.
Большая часть новых ГЭС появилась в Азии и в Южной Америке, половина из европейских «новичков» расположена в Турции. По прогнозам, к 2040 году объем гидрогенерации вырастет в полтора раза, но ее доля в общей генерации электричества немного снизится.
Проблемы
К снижению доли ГЭС ведет ряд причин, о которых рассказывает Сергей Алексеенко:
— Есть экологические проблемы, связанные с большими площадями затапливаемых земель, сельхозугодий, лесов. Есть риск затопления археологических памятников. Есть опасность крупных аварий, как на Саяно-Шушенской ГЭС. Происходит удорожание строительства ГЭС, растет конкуренция со стороны других источников энергии. А главное, сокращается гидроэнергетический потенциал — объем гидроресурсов, подходящих для освоения. Для многих стран он почти исчерпан. Степень его использования в Японии составляет 90%, в Италии, Норвегии, Франции, Швейцарии — 95–99%, в США — 65–85%. Хотя в среднем по миру эта величина меньше 50%. В России потенциал использован в среднем на 23%, но в Поволжье — на 74%, а в труднодоступных районах Западной Сибири и на Дальнем Востоке — на 2–3%.
Исследования показали еще одну проблему ГЭС: искусственные водохранилища выбрасывают ежегодно около миллиарда тонн парниковых газов, при этом из них выходит больше метана, чем из естественных озер и болот.
Решения
Сделать гидроэнергетику эффективней способна гибридная генерация. Например, на территории Нижне-Бурейской ГЭС в Амурской области «РусГидро» и «Хевел» строят солнечную электростанцию мощностью 1275 киловатт; она должна заработать в конце года. Солнечные модули общей площадью порядка 6 700 квадратных метров будут размещены прямо на территории гидроузла.
Первопроходцем таких гибридных решений стала Португалия с комбинированной фото- и гидроэлектростанцией на реке Альто-Рабагао. Французская компания Ciel et Terre строит плавучие солнечные электростанции — и это тоже тренд мировой энергетики. Малая территория побуждает и Японию размещать фотоэлементы на поверхности водоемов.
— Если покрыть солнечными электростанциями всего 10% поверхности 50 крупнейших гидроэнергетических водохранилищ в мире, это добавит в солнечную энергетику дополнительные 400 гигаватт, что превышает всю ее нынешнюю глобальную установленную мощность, — сообщает Владимир Сидорович.
8. Океан
Прогнозы
Самый малоосвоенный, но многообещающий вариант превращения кинетической энергии в электрическую — море, которое постоянно в движении.
Энергию можно получать от приливов и морских течений, от тепловых градиентов и различий в солености. Первые два способа сейчас считаются более перспективными. К 2050 году Евросоюз нацелен установить 100 гигаватт совокупной волновой и приливной мощности.
Сегодня лучше развиты приливные электростанции (ПЭС). В течение суток колебания уровня моря у берега могут достигать 18 метров. Самая мощная в мире на сегодняшний день Сихвинская ПЭС была построена в Южной Корее в 2011 году.
Некоторые приливные электростанции устанавливаются на плотинах в заливах или в устьях рек. ПЭС «Ля Ранс», крупнейшая в мире по выработке, находится в устье реки Ранс в Бретани, где высочайшие приливы в Европе (до 13,5 метров). Станция использует 24 турбины на плотине длиной 800 метров. Себестоимость электричества на «Ля Ранс» в полтора раза дешевле, чем на французских АЭС.
Мегапроект готовится в Великобритании, где в устье реки Северн планируется построить приливную электростанцию, вырабатывающую 5,5 ТВт•ч в год. Она включит в себя 20-километровую волнорассеивающую стену и более сотни турбин.
Другие станции размещаются в проливах, как, например, гидроагрегат британской компании SeaGen, обеспечивающий электроэнергией 1500 домашних хозяйств в графстве Даун Северной Ирландии. Турбины этой полупогруженной станции медленно крутятся под водой, не угрожая природе.
В Шотландии, где сосредоточена четверть потенциала европейской приливной энергетики, в 2017 году запущена крупнейшая плавающая приливная турбина — это заякоренное судно длиной 64 метра с подводными роторами и 16-метровыми лопастями. Ожидается, что приливные технологии к 2030 году обеспечат Великобританию электроэнергией на сумму в полтора миллиарда фунтов и даже позволят экспортировать ее.
В России самые высокие приливы случаются в Пенжинской губе Охотского моря, где они максимальны во всем Тихом океане — до 12,9 метра, — однако в нашей стране приливные станции пока существуют только в виде проектов (кроме Кислогубской ПЭС в Баренцевом море, которой присвоен статус памятника науки и техники).
Проблемы
Использовать силу моря мешают проблемы разного типа — от политических и финансовых до чисто инженерных. Ряд важнейших для ПЭС технологий еще находится на ранней стадии развития, и многие проекты были закрыты из-за недочетов конструкции: так, если течение внезапно усиливается, лопасти турбин разваливаются и агрегаты выходят из строя.
Решения
Альтернативный способ приручить море — волновые электростанции, основанные на системах буев и поплавков, качающихся на волнах вверх-вниз в нескольких километрах от берега.
Первой волновой электростанцией в 2008 году стал амбициозный проект Pelamis в Португалии. Проект закрыт из-за проблем как с подшипниками, так и с деньгами. Но сегодня новые волновые решения изобретают в России, Великобритании, США и Китае.
Но море скрывает и совсем другую энергию. На дне океана спрятаны огромные залежи метангидрата — горючего льда, который распадается на воду и метан при нагревании и снижении давления. Один кубометр этого вещества выделяет около 160 кубометров газа. Однако способ промышленной добычи этого ценнейшего топлива пока не найден и не изучены все риски для климата и морской экосистемы.
По оценкам, запасы метангидрата на два порядка превышают мировые запасы нефти, поэтому чудо-ресурс привлекает внимание правительств, ученых и энергетических компаний всего мира. Последние успехи — в Азии: в 2017 году Китай и Япония независимо друг от друга объявили об успешных пробных добычах. Но пока считается, что до промышленного внедрения метангидратных технологий пройдут долгие годы.
9. Водород
Прогнозы
Еще один энергоноситель будущего — водород, самый распространенный элемент во Вселенной. Как топливо он втрое эффективнее традиционных ископаемых ресурсов (в том же объеме водорода в три раза больше энергии).
Энергию из водорода получают по принципам электрохимии. Водородные топливные элементы генерируют ток словно бесконечная батарейка, в которую извне подаются водород и воздух с кислородом. В результате вырабатывается электричество, а побочным продуктом становится вода. Так что водородные элементы конкурируют с углеродным топливом, не загрязняя окружающую среду.
На поддержку водородных технологий Великобритания в рамках госпрограммы выделила 20 миллионов фунтов стерлингов. Министр экономики Германии также хочет вывести страну в лидеры в этой области. За последние пять лет стоимость производства топливных элементов резко снизилась, так что теперь водородные решения видят перспективными и автоконцерны.
За создание коммерческого автомобиля на водородных топливных элементах взялись BMW — вслед за Mercedes, Toyota, Hyundai и Honda. Преимущества таких топливных элементов — бесшумность, экологичность и высокий КПД, а модульность позволяет легко добавлять машине мощности.
Проблемы
В чистом виде водорода мало, его приходится производить. Можно делать это путем расщепления природного газа, но так в атмосферу снова выделяется много CO2. Другой вариант — электролиз из воды, однако этот способ в 5–10 раз дороже.
Хранение и транспортировка водорода осложняется двумя факторами: он очень летучий и легко воспламеняется, поэтому есть опасность взрыва. Летом такой инцидент произошел на водородной заправке Uno-X в Норвегии; к счастью, тогда никто не пострадал. Но спрос на новации пока небольшой: в прошлом году в этой стране был продан 51 водородный автомобиль, годом ранее — 55.
Кроме того, для водорода требуется больший объема топливных баков, чем для бензина, что для автомобилей означает уменьшение багажника.
Решения
Производители не считают, что водородные авто опаснее обычных.
— Водородные баллоны настолько прочны, что вы сможете стрелять по ним из пистолета, и они не загорятся, — заявляет представитель Toyota Norway Эспен Олсен.
Главное — удешевить производство водорода. Решения тут самые разные. Есть попытки приручить микроводоросли, производящие водород путем фотосинтеза. Бельгийские ученые создали фотоэлектрохимический генератор водорода в присутствии солнечного света. Экологичный и дешевый способ — газоразделительный мембранный реактор, выделяющий водород из метана. Совершенствуется технология получения водорода из природного газа с полным улавливанием СО2. Михаил Власкин из ОИВТ РАН разрабатывает установки, где в качестве топлива работает алюминий, окисляющийся в воде с выделением тепла и водорода.
IKEA установила в Калифорнии топливный элемент мощностью 300 киловатт, вырабатывающий водород из газа биологического происхождения. В качестве резервного источника электроснабжения водородные топливные элементы уже используют самые прогрессивные компании — Adobe, Apple, eBay.
10. Планета
Прогнозы
Энергия скрыта во всех стихиях — в том числе и в недрах Земли, причем не только в виде ископаемых углеводородов. Геотермальная энергетика использует тепло глубинных слоев планеты — как для обогрева, так и для генерации электричества.
С погружением вглубь температура растет примерно на 3 °C каждые 100 метров, в зависимости от региона. Из подземных водоносных слоев на поверхность выводят трубы с горячей водой и паром, раскаленный пар вращает турбину генератора.
Геотермальная энергетика относится к возобновляемым источникам энергии, но не зависит ни от погоды, ни от сезона; ГеоЭС вырабатывают мало углекислого газа. Отрасли прогнозируется пусть и не бурный, но стабильный рост — в недалеком будущем этот источник обеспечит до 1/6 мирового энергоснабжения. По данным IRENA, в 2018 году суммарная мощность ГеоЭС всего мира превзошла 13 гигаватт.
Лидируют в геотермальной энергетике США, успешно работают станции на Филиппинах, в Индонезии и Японии. Китай активно пользуется глубинным теплом, а в Исландии им отапливается 90% зданий. К 2040 году город Мюнхен планирует полностью перевести свои теплосети на возобновляемые ресурсы, в основном на горячие подземные источники.
Проблемы
Есть у ГеоЭС и недостатки. Есть риск аварий с экологическими последствиями, потому что поднятая термальная вода может содержать вредные вещества — свинец, мышьяк, аммиак, и ее необходимо закачивать обратно. Кроме того, не везде есть подземные воды нужной температуры, и требуется дорогая геологоразведка, влияющая на конечную стоимость энергии для потребителей.
Решения
Там, где температура подземной воды не поднимается выше 100 °C, а глубже уже не прокопать, создаются бинарные ГеоЭС. В них горячая вода разогревает другую рабочую жидкость с низкой температурой кипения, например фреон, пар от которого уже вращает турбину генератора. Это цикл Ренкина.
— Впервые он был реализован Институтом теплофизики СО РАН на Паратунской ГеоЭС на Камчатке в 1970 году, — комментирует Сергей Алексеенко. — С тех пор в мире сооружено около двух тысяч установок на бинарных циклах, но в России они сегодня отсутствуют.
Но самыми многообещающими академик считает петротермальные станции. Они строятся там, где под землей горячо, но нет водоносных слоев. Температура внизу может достигать 350 °C. В скважину вводятся две трубы: по одной вниз подается вода и там нагревается, а по другой вверх поступает пар для вращения турбин. В 2018 году в мире работали 22 такие станции. Считается, что петротермальных запасов хватит на 50 тысяч лет.
— То есть практически навсегда — если учесть, что время существования высокоразвитых цивилизаций, судя по всему, конечно, — уточняет ученый.
