Возобновляемые источники энергии: действительно ли они экономичны и экологичны

Про возобновляемые источники энергии (ВИЭ) в интернете ходит огромное количество мифов, в которых есть только крупицы правды. Это касается не только нулевого влияния на экологию, технических и экономических параметров использования ВИЭ, но даже простого определения, что считать ими, а что нет.

Содержание:

Возобновляемая энергия: что это?Виды альтернативных источников энергии (солнечная энергия, энергия ветра, геотермальная энергия, гидроэнергия, биоэнергия)Использование возобновляемых источников энергии в России и в миреПреимущества и недостатки зеленых источников энергииПерспективы развития возобновляемой энергетики

Возобновляемая энергия: что это?

Даже сам термин "возобновляемые" (ранее часто использовался еще - "альтернативные источники энергии") заключает в себе подвох. Нефть, газ и уголь (ископаемые источники энергии) формируются в недрах земли и также в некотором смысле "возобновляются". Наиболее точно будет сказать, что под ВИЭ понимается энергия из природных ресурсов, которые являются возобновляемыми в течение короткого периода времени (сутки, неделя, сезон) и неисчерпаемыми по меркам человеческой цивилизации.

Образование нефти в недрах занимает от 50 до 350 миллионов лет. Восполнение запасов ископаемого топлива сейчас происходит только за счет открытия новых залежей, которых становится все меньше или доразведки на старых месторождениях. Сила ветра, солнца, приливов и отливов, течение рек - в худшем для выработки энергии случае имеют сезонные колебания.

Виды альтернативных источников энергии

Самые распространенные на сегодня виды ВИЭ - это солнечная и ветровая генерация. Первая использует энергию солнечного света, которая преобразовывается в электричество при помощи фотоэлектрических модулей - солнечных панелей. Это наиболее распространенный способ работы солнечных электростанций (СЭС). Но есть и другой - гелиотермальная энергетика. Вместо фотомодулей используются герметичные емкости с водой или жидким теплоносителем с низкой температурой закипания. Нагреваясь, они преобразуют солнечный свет в тепло, которое затем преобразуется в энергию. Часто для усиления эффекта на емкости направляют "концентрированный" свет солнца, собранный при помощи специальных зеркал и линз. Такой вид СЭС получил значительное распространение в южных регионах СССР и некоторые станции с тех времен работают по сей день. Естественно, мощность СЭС сильно зависит от силы солнечного света, погоды и площади, которую занимают солнечные панели.

Ветровая генерация использует энергию воздушного потока, вращающего лопасти пропеллера, и преобразуя это движение в электричество. Чем сильнее ветер и больше ветряк, тем больше энергии можно получить. Поэтому ветровые электростанции (ВЭС) сейчас часто стали строить не на суше, а в море, где, как известно, полный штиль - не самое распространенное явление. Один средний ветряк может выработать не так много энергии, поэтому, как и с СЭС, для промышленной выработки электричества создаются, так называемые ветропарки. В них может работать от нескольких штук до сотен отдельных ветроустановок. Самой большой проблемой для ВЭС является непостоянность ветра.

По объемам выработки энергии солнце и ветер превосходит гидрогенерация, но она не везде и не вся считается "зеленой" и причисляется к ВИЭ, то есть безвредной для окружающей среды и не влияющей на климат из-за выбросов CO2 (углерода) в атмосферу. Это часто и не без оснований оспаривается.

Безоговорочной "чистой" считается малая гидрогенерация, которая не требует строительства плотины, перегораживающей реку, и затопления территории перед ней. Именно по этому "вредному" принципу построены все старые большие гидроэлектростанции (ГЭС). Плотина усиливает давление потока воды, который вращает турбины, за счет чего вырабатывается энергия. Малые ГЭС, как правило, не предусматривают затопления, используют естественную силу потока воды, часто усиленную особенностями ландшафта (стремнина, порог, водопад). Таких малых ГЭС особенно много в Норвегии. На ГЭС в зависимости от года приходилось от 80 до 95% всей выработанной электроэнергии в этой стране.

Дальше уже начинается экзотика, но не в смысле перспектив, а с точки зрения распространения в мире и экономики таких проектов. К ВИЭ относят приливные электростанции (ПЭС), использующие для получения электричества энергию вращения земли (приливов и отливов). Здесь же биоэлектростанции (БиоЭС), которые производят электроэнергию из биологических материалов или органических отходов.

Несколько слов отдельно нужно сказать о геотермальной энергетике - использовании тепла недр для производства электричества. Многие ошибочно считают, что геотермальные электростанции (ГеоЭС) возможны только в областях с повышенной вулканической активностью. Это не так, хотя такие регионы могут быть удобны для работы ГеоЭС. Но современные ГеоЭС могут использовать также тепло подземных термальных вод и нагрев почвы на глубине. Направление в альтернативной энергетике очень перспективное, но пока не дешевое, не случайно, абсолютным лидером в геотермальной энергетике уже давно являются США. А если посмотреть на распространение в России и за границей технологии "тепловых насосов", сделанных по тому же принципу, то возможно ГеоЭС в будущем сильно увеличат свое присутствие на рынке.

Использование возобновляемых источников энергии в России и в мире

По итогам 2022 года из возобновляемых источников энергии наибольшее распространение в мире (по установленной мощности электростанций) имеют объекты гидрогенерации, следом идут СЭС и ВЭС, а затем, с большим отставанием - БиоЭС и далее, опять с изрядным отрывом, - ГеоЭС.

По странам, лидером по установленной мощности ВИЭ является Китай (1161 ГВт). Благодаря экономическим стимулам со стороны государства, включающим в себя как субсидии, так и налоговые льготы, здесь активно развиваются все виды "зеленой" энергетики. Схожая ситуация в Евросоюзе (570 ГВт) и США (352 ГВт), они занимают второе и третье место по мощности ВИЭ.

А вот дальше уже идут страны, развивающие возобновляемую энергетику с учетом особенностей своего географического положения, ландшафта и климата. Например, в Бразилии и Канаде велика доля ГЭС, а в Японии, Индии и Австралии - преобладают СЭС.

Россия, благодаря своей огромной территории, может относиться к первому виду стран. Но у нас есть некоторые особенности. В отличие от большинства стран лидеров по распространению ВИЭ, Россия с избытком добывает все виды ископаемых источников энергии и экспортирует их. Среди лидеров по развитию возобновляемой энергетики есть страны, также добывающие в больших объемах нефть, газ и уголь (США, Китай, Бразилия), но только один чистый экспортер газа и угля - Австралия. Остальные вынуждены закупать ископаемое сырье, что естественно делает его дороже.

Волна водостока, быстрые потоки воды на Красноярской ГЭС в России. Фото: iStock

Для нас газ не может стоить столько же, сколько для стран ЕС, которые до недавнего времени покупали его, в первую очередь, в России и привязаны к биржевым ценам, или Китая, который часть нефти, угля и газа вынужден импортировать, хоть и по долгосрочным контрактам. В России экономические стимулы для развития ВИЭ, за исключением гидрогенерации, отсутствовали. ГЭС в России до недавнего времени строили в основном только большие, которые под определение ВИЭ не попадали. Дело в том, что возведение плотин приводит к изменению режима стока многих рек, деградации их водного биоразнообразия, потере нерестилищ рыб. Но главная причина кроется в выбросе большого количества CO2 в атмосферу, после затопления территорий.

Другое дело, что крупнейшие ГЭС в России были построены еще во времена СССР и весь углерод, появившийся в результате гниения затопленных лесов и полей, был ими выброшен много десятилетий назад. В энергобалансе России на долю ГЭС приходится около 20%, но поскольку они не учитываются, как источники чистой энергии, в статистику по ВИЭ они не попадают. Совокупная установленная мощность электростанций на основе ВИЭ в России к середине 2023 года составила 6,04ГВт. Общая установленная мощность всех электростанций Единой энергетической системы (ЕЭС) России на начало этого года составила 247,6ГВт. То есть доля ВИЭ в энергобалансе нашей страны - 2,4%. При этом в некоторых регионах доля генерации на основе ВИЭ превышает 10%.

Преимущества и недостатки зеленых источников энергии

Звание чистой энергетики ВИЭ получили на волне климатической повестки, больше продвигаемой политиками и бизнесом, нежели научным сообществом.

Если не углубляться в дискуссию о том, насколько правильны выкладки о влиянии деятельности человека на глобальное потепление, а просто принять климатическую повестку, как данность, с которой приходится считаться, то ВЭС и СЭС полностью удовлетворяют ее требования по минимальным выбросам CO2. Чтобы там не говорили противники ВИЭ про низкую добычу редкоземельных металлов для ВИЭ, утилизацию солнечных панелей и аккумуляторов, гибель птиц от работы ветряков и прочее, эти проблемы решаемы и пока не имеют глобального масштаба. Утилизацией компонентов ВИЭ уже занимаются, добыча редкоземельных металлов расширяется, а птиц гибнет в сотни раз больше от столкновения с транспортными средствами и работы промышленных предприятий.

Но здесь есть серьезный нюанс. Доля ветровой и солнечной энергетики в мировом энергобалансе в 2022 году выросла до 12%, но все равно пока сильно уступает ископаемым источникам энергии. Чем больше будет она увеличиваться, тем сильнее будут негативные факторы от ее работы. Добыча и переработка редкоземельных металлов и других полезных ископаемых, используемых в объектах ВИЭ, в том числе лития, никеля, кобальта, цинка, фосфора, кремния, фосфора и прочих совсем не безвредна. Производство увеличивается, но вместе с этим растет и его негативное влияние на окружающую среду. К примеру, в странах Южной Америки для получения лития компании расходуют воду, которая ставит под угрозу и местную флору и фауну, а также сельское хозяйство. По данным ООН, для производства тонны лития здесь путем извлечения и обработки рассола требуется почти 2 тысячи тонн воды, в том числе пресной.

Солнечная энергия вставок и Ветряная электростанци Фото: iStock

Еще один момент, это необходимые площади, на которых должны располагаться объекты ВИЭ. Они требуются совсем немаленькие в отличие от традиционной энергетики. Передавать электроэнергию на дальние расстояния мы пока так и не научились, поэтому не получится поставить миллионы солнечных панелей в какой-нибудь африканской пустыне и отправлять электричество в города Северной Европы. Особенно это актуально для густонаселенных и аграрных стран, которые больше всего сейчас страдают от высоких цен на энергию, а земля на вес золота. Например, крупнейшая СЭС в мире "Великая солнечная стена" в Китае занимает площадь 43 кв. км. А установленная мощность этой СЭС всего 1,5 ГВт. Если грубо сравнить, то для покрытия мощности всех электростанций Германии (около 242 ГВт) солнечными панелями, как на китайской СЭС придется закрыть 6775 кв. км. - площадь в 2,5 раза превосходящую территорию пусть маленького, но государства Люксембург. Причем панели не поставишь в лесу, нужен подходящий ландшафт, которые в той же Европе чаще всего занят сельскохозяйственными угодьями. Схожая история с ВЭС, но их хотя бы можно строить в море.

Но самым уязвимым местом альтернативной энергетики по сей день остается экономика. Да, ветровая и солнечная генерация сильно подешевела за 20 лет. В Европе ее цена оказывается часто ниже выработки электроэнергии из ископаемых источников энергии. Проблема в том, что это происходит из-за очень высокой стоимости, например, угольной или газовой генерации, на которую влияют различные "климатические" сборы. Борьба с изменениями климата ЕС и США оплачивается нефтегазовыми, угольными и энергетическими компаниями. Но они далеко не альтруисты и экологические подвижники. Каждый цент, отданный на экологию, встраивается в стоимость сырья или генерации. В результате мы имеем общемировой тренд - рост цен на энергию. А это, в условиях, когда более миллиарда человек на земле не имеют постоянного доступа к электричеству, выглядит совсем не как самоотверженная борьба на благо человечества, и больше напоминает саботаж.

Еще одна проблема ВИЭ на солнце и ветре - отсутствие возможности накапливать энергию в значительном объеме на долгое время. Погода переменчива, а электричество населению, промышленности, сельскому хозяйству нужно всегда. В результате, приходится держать резервные мощности генерации на вредных ископаемых источниках, а это опять же увеличивает стоимость энергии.

Решение проблемы видят в водородной энергетике. Использовать водород для производства электричества логично, отпадает проблема хранения энергии и выбросов углерода. Загвоздка в том, что водорода в чистом виде в природе нет, его нужно получить. Отбросим технические проблемы (в промышленных масштабах транспортировка водорода пока невозможна), а также разговоры о способах его получения (на основе газовой генерации или ВИЭ). Главное, что водород и электричество из него получаемое будет всегда дороже потраченной на его производство энергии. Экономически не может быть по-другому. Он будет продуктом следующего передела, после, например, выработки энергии ВИЭ, а, значит, дороже. Поэтому водородная энергетика - это наше счастливое и благополучное будущее, когда человечество сможет позволить себе потратить лишние средства, чтобы мир стал чище, не отбирая их у бедных и голодных.

Перспективы развития возобновляемой энергетики

Несомненно, что ВИЭ в России будут развиваться. Чистой генерации оказывается поддержка государства и при этом, к счастью, солнечная и ветровая энергетика не насаждается декларативно, заменяя более выгодные источники энергии. ВИЭ оказываются весьма выгодными в некоторых изолированных районах Арктики, куда сложно подвести газовую трубу, а доставлять уголь очень дорого. ВИЭ рентабельны во многих юго-восточных районах Сибири, где хорошая солнечная активность, сила ветра, а население и промышленные объекты сосредоточены на ограниченных территориях. ВИЭ очень часто используют нефтегазовые компании, генерируя энергию для обслуживания месторождений и перерабатывающих предприятий. Наконец, ВИЭ весьма популярны в частном секторе на европейском юге нашей страны. Это дополнительная энергия, обеспечивающая повышенный спрос в курортный сезон.

По всем прогнозам, ВИЭ в России не вытеснят на горизонте 10 лет ископаемые источники энергии, но их доля будет расти. Ожидается, что в 2035 году совокупная установленная мощность всех российских ВИЭ достигнет 16,8 ГВт.