29 мая 2012 г.

Мифы традиционной и солнечной энергетики

Все, что повседневно использует человечество– от электрического освещения до телевизоров с плоскими экранами и iPhone – зависят от нашей способности выкачивать, выскабливать или вышибать с помощью взрывов из Земли ее ресурсы.

Современная жизнь обеспечивается за счет природных ресурсов. Ресурсы заканчиваются. Увы, это — не нагнетание страха «пророками» конца света. Мир стремительно несется к тому, что многие сегодня называет «кризисом истощения природных ресурсов», заставляя правительства и корпорации вступать в гонку за тем, что осталось. Большинство ученых считают, что при текущих объемах потребления и объемах доказанных запасов, человечеству хватит промышленных запасов нефти на 50-80 лет, газа – на 60-80 лет. Поскольку по этой теме существует крайне много политизированных спекуляций, уточним: нефть не иссякнет моментально Углеводородов много и в каком-то виде они будут всегда. Это, безусловно, так, но заметим, что каменный век кончился не оттого, что кончились все камни. Через ~20 лет не будет того, что сейчас считается нефтью. Добываемая нефть с каждым годом становится все тяжелее, содержит все больше смол, битумов, примесей типа серы, и цена ее переработки постоянно растет. Для добычи нефти есть показатель - EROEI - коэффициент отношения энергии на выходе и на входе. В 60-х гг. ХХ века на каждую единицу энергии, вложенную в добычу, получали 100 единиц энергии нефти. В 90-х гг. ХХ века “обычная” нефть обладала коэффициентом EROEI приблизительно 30, в 2000-м - только 20, а сейчас EROЕI колеблется между 1,5 и 1 для большинства новых месторождений. Если учесть в прогнозах добычу «тяжелой» нефти из нефтеносных песков, теоретическую возможность разработок газовых гидратов, это не изменит ситуацию принципиально. Требуется огромное количество энергии для того, чтобы нефть из нефтеносных песков и превратить в жидкость. Самые оптимистичные исследования прогнозируют пик выработки нефти из битумных песков на уровне 4 млн. баррелей в день к 2020-му году. Если рассматривать 4 млн. баррелей в контексте мирового спроса, сегодня составляющего 85 млн. баррелей ежедневно, то озабоченность становится понятной. Поэтому, освоение «нетрадиционных» углеводородных ресурсов, видимо, лишь отодвинет пик их мировой добычи на середину текущего века.

С наступлением эпохи массовой индустриализации и пост-индустриализации, с включением Индии и Китая в техносферу, ресурсный коллапс стал ближе. Влияние государств, обладающих теми или иными природными ресурсами, усиливается, одновременно усиливается и нажим на эти государства со стороны прочих. Большое напряжение сейчас существует в Восточно-Китайском и Южно-Китайском морях, где идет спор о шельфовой разработке нефтяных и газовых месторождений – мир наблюдает за морскими столкновениями между Японией и Китаем, а также между Китаем, Вьетнамом и Филиппинами. А в 2012 г. президент Обама заявил, что США будут активнее участвовать в этом регионе.

Мы, видимо, стоим на пороге глобального перелома и перераспределения векторов влияния на планете и это время жизни одного поколения. Китай, Индия, Южная Корея, Саудовская Аравия и ОАЭ покупают крупные участки земли для фермерства в Африке, но не для того, чтобы накормить африканское население, а для производства пищи и ее транспортировки домой. С 2002-го года для производства одной калории пищи, требуются десять калорий ископаемого топлива. Производство продуктов питания требует энергии, а также удобрений, пестицидов и гербицидов, которые являются производными нефти и природного газа. Сельхозтехника производится при помощи полученного из нефти топлива и работает на нем же.

Скептики могут назвать десяток экспертов, мнение которых отличается от вышеприведенного. Многим людям кажется, что разговоры о глобальной нехватке углеводородов — просто стенания защитников окружающей среды или сговор крупных игроков на рынке с целью нагнетания цен.

Поэтому предлагаем следующий подход. Физика, особенная квантовая, часто воспринимается, как нечто очень далекое от повседневной макро-жизни. Напрасно… Ее дуалистические вероятностные понятия лучше описывают наш макромир, чем упрощенно-категоричные инвективы экспертов. Мы живем в потоке вероятностей. Но даже в хаосе противоречивых оценок различных, часто ангажированных экспертов, существует своеобразный вектор плотности потока вероятностей.

Если с этой точки зрения посмотреть на происходящее в энергетике – что можно увидеть как несомненные факты и что – как вероятностный «шум»? С одной стороны – несомненно - ограничения сырьевых ресурсов нарастают, технологические ограничения на новые виды получения энергии (например, термоядерной) сохраняются, экологические и климатические проблемы нарастают, затраты на восстановление того, что человечество портит (рекультивация хранилищ ядерных отходов, золоотвалы) растут. С другой стороны - идет развитие технико-экономических возможностей ВИЭ (снижение стоимости, рост эффективности).

Анализируя множество случайных и закономерных фактов, можно утверждать: вектор плотности потока вероятности преимущественного развития ВИЭ направлен в будущее, а его скалярное значение непрерывно растет.
Каковы вообще потенциальные источники энергии для человечества? Их немного:

  • ископаемые невозобновляемые источники - основа современной промышленности
  • атомная энергия
  • термоядерный синтез
  • возобновляемая энергетика (приливная, геотермальная, солнечная, ветряная, гидро)


Ископаемые невозобновляемые источники

Сейчас мы потребляем нефть, газ и уголь со скоростью, примерно в миллион раз превышающей скорость их образования в земной коре. Если сопоставить остающиеся в распоряжении человечества ископаемые энергоресурсы и возможные сценарии развития мировой экономики, демографии и технологии, то это время, в зависимости от степени оптимизма авторов, составляет от нескольких десятков до одной сотни лет. В исследовании, проведенном в 2010 г. специалистами The Oil Drum, пик поставок всех видов ископаемого топлива прогнозируется к 2018 году, а с 2025 года намечается длинный спад. Если посмотреть на современную разработку месторождений, будь то глубоководная разработка в Арктике или сланцевый газ и сланцевая нефть, то становится понятно, что инвестиции и связанные с добычей риски для окружающей среды вышли на беспрецедентный уровень. Это демонстрирует пример с гидравлическим разрывом пласта, во время добычи сланцевого газа в США в 2011 г., в ходе которого выделилось огромное количество токсичной отходной воды вблизи густонаселенных районов на Северо-Востоке США. Или, например, шельфовое бурение. Катастрофа платформы Deepwater Horizon компании ВР в Мексиканском заливе показала, чем оно чревато.


История добычи углеводородных ресурсов и использования ВИЭ в истории человечества

Атомная энергия

Ядерные реакторы на тепловых нейтронах – основа современной мировой атомной энергетики. Главная причина беспокойства – ограниченное количество дешевых месторождений урана. Во многих странах создаются стратегические запасы. В настоящее время добыча урана чрезвычайно сильно отстает от спроса. По мере оскудения запасов нефти, уран как ресурс будут эксплуатироваться все больше. Серьезной проблемой являются транспортировка топлива, а также конструкций самих АЭС, срок службы которых составляет 30 - 40 лет. Проблема, о которой мало говорят честно - захоронение радиоактивных отходов (ОЯТ), технически проблемы утилизации не решены и фактически перекладываются на следующие поколения. На перспективу ближайшего столетия, в этом классе останется, возможно, атомная энергетика на быстрых нейтронах на основе плутония. Но безопасная технология плутониевой энергетики с замкнутым безотходным циклом до сих пор не разработана. Экспериментальные реакторы на быстрых нейтронах появились в 1950-е годы, в 1960-80-е годы работы по созданию промышленных реакторов на быстрых нейтронах активно велись в США, СССР и ряде европейских стран. К началу 1990-х большинство этих проектов было прекращено из-за риска аварий и высоких эксплуатационных затрат. Кроме того, технология опасна с точки зрения распространения ядерного оружия

Термоядерный синтез

Здесь нет ресурсных ограничений, но технические проблемы очень серьезны и нет весомых оснований ожидать, что они будут решены в ближайшем будущем. Слишком велики технические трудности создания высокотемпературной дейтерий-тритиевой плазмы в реакторах с положительным выходом энергии. По мнению академика Е.П. Велихова – в прошлом одного из наиболее энергичных сторонников термоядерной технологии, – даже в случае успеха, мощность коммерческих термоядерных реакторов к концу 21 века во всем мире не превысит 100 ГВт. Заметим, что установленная мощность всех источников энергии на земном шаре в настоящее время превысила 3,5 ТВт.

Возобновляемая энергетика

ВИЭ - это единственный вид энергии, сопровождавший человека всю его историю. До 17 века солнечная энергия и энергия сжигания древесины, в которой солнечная энергия аккумулируется благодаря фотосинтезу, были единственными источниками энергии для человека. В 2010 году, впервые, всемирная суммарная установленная мощность ветряных турбин, заводов биотоплива и электростанций на сжигаемых отходах и солнечных электростанций достигла 381 ГВт, превысив общую мощность ядерных электростанций, равную 375 ГВт. Из 55 ГВт новых мощностей, которые были введены в ЕС в 2010 г., 22,7 ГВт пришлись на ВИЭ. Говоря о будущем развитии энергетики, стоит упомянуть, что Европа готова избрать путь развития, основанный на ВИЭ и на иной, чем сейчас архитектуре энергосистем. Так, согласно последнему стратегическому сценарию Еврокомиссии – «Дорожной карте по энергетике до 2050 г.» - доля ВИЭ в конечном потреблении к 2050 г. определена на уровне 75%, а в электрогенерации – 97%.

Учеными Калифорнийского и Стенфордского университетов более 5 лет назад показано, что энергии ветра, воды и солнечного света теоретически может быть достаточно для стопроцентного перехода на ВИЭ. Условно-необходимы около четырёх миллионов ветровых турбин, мощностью 5 МВт каждой. Солнечных фабрик - 90 тыс. — и тех, что вырабатывают электричество напрямую, и таких, которые концентрируют солнечную энергию для нагревания теплоносителя. Мощность одной электростанции должна составлять 300 МВт. Плюс к этому потребуется 1,7 млрд 3-киловаттных фотогальванических покрытий на крышах домов. Это, конечно, крайне упрощенная модель, но видно, что такой масштаб задач не представляет непреодолимого препятствия. Важно заметить, что эти оценки включает только те технологии, которые уже применяются или близки к этому, а вовсе не те, внедрение которых может начаться лишь через 20–30 лет. Это освоенные в промышленности солнечные элементы на базе кремния, тонкопленочные элементы на базе CdTe, GaAs/Ge, существующие аккумуляторы, инверторы и прочее. Нет необходимости ждать появления новых, невиданных сегодня решений.

Традиционно говорят о дороговизне ВИЭ. Но сегодня альтернативная энергетика подешевела. После 2011 г. она конкурирует по цене с традиционной. Вот, например, отчет 2011 г. Комиссии по коммунальным услугам Калифорнии, из которого следует, что штат подписал контракт на 2012 г. на поставку электричества с владельцами солнечной электростанции мощностью в 500 МВт по цене ниже, чем с газовиками. Из исследования Bloomberg new Energy Finance 2012 г. следует, что уже в 2016 году береговые ветряки повсюду в Европе дадут ток дешевле, чем газовые турбины смешанного цикла. В Китае и США фотовольтаика достигнет паритета с традиционной энергетикой в ближайшие несколько лет. США достигнут сетевого паритета, как ожидается, уже в 2014 году. Большинство регионов в стране достигнет сетевого паритета в соответствие со средними ценами на электроэнергию в жилом секторе к 2017 году. Аналитики ожидают, что в большинстве регионов Китая сетевой паритет будет достигнут к 2015-2016 гг. (Доклад GlobalData, 2012 г.) Важно сказать о таком параметре, как, так называемая «уравновешенная стоимость электроэнергии» (Levelized Cost Of Electricity; LCOE). LCOE – это цена электроэнергии, отпускаемой непосредственно с электростанции.

Согласно методологии оценки LCOЕ, для расчета стоимости электроэнергии складываются амортизированные капитальные затраты и текущие эксплуатационные расходы. Для возведения солнечной станции привлекаются финансовые ресурсы, которые имеют свою цену, определяемую через процентную ставку. Выплату процентов за использование этих ресурсов также необходимо учитывать при определении капитальных затрат и стоимости электроэнергии солнечной электростанции. В течение ближайших лет LCOE для солнечных батарей будут продолжать снижаться из-за снижения капитальных затрат и увеличения коэффициента использования генерирующих мощностей. Все это в сочетании с отсутствием затрат на покупку топлива, низкими операционными расходами и издержками на техническое обслуживание (не говоря уже о постоянно возрастающей стоимости ископаемых видов топлива) означает, что к 2017 году показатель LCOE для солнечных батарей, по прогнозам, будет ниже, чем средние розничные цены на электроэнергию.

Альтернативная энергетика надежнее обычной. В 2011 г. после серьезных аварий в сетях штата Техас, США, когда отказали несколько станций, от «блэкаута» Техас спасли ветряки, о чем заявил глава энергетической комиссии штата.

Много говорят о необходимости дотировать ВИЭ. Альтернативная энергетика получает в 75 раз меньше дотаций, чем нефтяники. С 1994 по 2009 год в США нефть и газ были дотированы из бюджета на $447 млрд, а ВИЭ за тот же период – на $6 млрд. Более того, в начале ХХ века, когда топливная индустрия бурно развивалась, нефть и газ получали до 0,5% федерального бюджета США на свое развитие, тогда как солнце, ветер и приливы получают сегодня не более 0,1%. За последние 15 лет в Соединенных Штатах ядерная и ветровая энергетика произвели сопоставимые объемы электроэнергии (2.6 миллиарда кВтч в ядерной энергетике против 1.9 миллиарда кВтч в ветровой), но субсидирование ядерной отрасли превышает ветровую более чем в 40 раз ($39.4 миллиарда против $900 миллионов). Думаем, по другим странам, включая Россию, ситуация аналогичная.

Говоря о будущем развитии энергетики, стоит упомянуть, что Европа, видимо, готова избрать путь развития, основанный на возобновляемых ресурсах и иной архитектуре энергосистем. Так, согласно, последнему стратегическому сценарию Еврокомиссии – Дорожной карте по энергетике до 2050 г., доля ВИЭ в конечном потреблении к 2050 г. определена на уровне 75%, а в электрогенерации – 97%.

Отметим еще, что сегодня в нашей жизни мы используем колоссальные по энергозатратности машины, требующие строительства все новых ТЭЦ, АЭС. Но, учитывая все ресурсные и экологические ограничения, в ближайшем будущем перед человечеством неизбежно встанет задача - создание новых технологий и систем использования энергии, замена сегодняшнего щедрого энергопотребителя системами, воспроизводящими объекты живой природы. Природа использует и запасает солнечную энергию через процесс фотосинтеза. В солнечной энергетике мы моделируем природный процесс переработки солнечной энергии, используем модельную полупроводниковую структуру. Но природе хватает солнечной энергии, а нам пока нет. Природа - экономный энергопользователь, она использует каждый квант солнечного света, ей вполне достаточно фотосинтеза.

Из этого следует, что при достижении к.п.д. фотовольтаики 25-30%, (сравнимого с сегодняшним к.п.д. двигателя внутреннего сгорания или эффективностью фотосинтеза) и при фактически достигнутом «ценовом паритете», солнечная энергетика с места «вспомогательного игрока» практически безальтернативно перемещается в «основные игроки». Очевидно, что этот процесс произойдет постепенно, видимо, увы, через ряд кризисов. Будут экстренные саммиты, дипломатические инициативы, срочные попытки геологоразведки, но сумятица не утихнет.

Эффективность передачи и хранения энергии – по мере роста «солнечных» мощностей важность этой проблемы будет расти. Известно, что существенными недостатками солнечной энергетики являются нестабильность (суточная, сезонная, погодная) и относительно малая плотность энергетического потока - на земной поверхности в среднем за год от 150 до 250 Вт/м2. Если вы хотите привести в движение индустриальную экономику с ее опорой на аэропорты, самолеты, грузовики, миллионы километры шоссейных дорог, гигантские небоскребы и круглосуточную доступность топлива, то нерегулируемых источников энергии будет недостаточно. Солнечные станции должны иметь накопитель (аккумулятор), позволяющий выравнивать сезонные и часовые колебания выработки. Представляется, что необходимо поставить цель, например, – за 10 лет добиться уд.энергии аккумуляторов 1000 Втч/кг на 10000 циклах заряда-разряда. Такие характеристики обеспечат перспективу солнечной энергетике. Эти цифры не являются чем-то фантастическим и по отдельности они достигнуты на ряде разработок.

По мере роста эффективности накопителей (плотности запасаемой энергии) ключевое значение приобретает безопасность применения. 1000 Втч\кг – это величина уд.энергии аккумулятора, вполне сопоставимая с углеводородным топливом.

Итого, краткие выводы:

  • Существующая углеводородная имеет историю около 150 лет, а перспективу – около 80 лет.
  • В силу ресурсных, экономических, экологических ограничений современная «индустриальная» энергетика должна быть постепенно заменена на «новую». Конечная цель - создание гибридной системы хозяйствования с иными механизмами производства и потребления энергии.
  • В основу «новой» энергетики должна войти возобновляемая энергетика, контуры которой уже заложены и пути развития определены. Мечтания о «неисчерпаемых» источниках энергии неясного происхождения и бездействие просто опасны. В условиях, когда доступные нефть и газ заканчиваются, а реальных прорывных технологий, способных заменить их, так и не создано, единственной альтернативой остается энергия, вырабатываемая на водных, солнечных, ветряных и приливных станциях. В основе ВИЭ, видимо, будет лежать фотовольтаика, поскольку др.виды энергии имеют более выраженные географические привязки и ограничения.. Приливная энергетика технически реализуема только в прибрежных районах, а геотермальная — только в некоторых странах, где есть достаточное количество геотермальных источников. Фотовольтаика имеет значительный (и быстрореализуемый) потенциал повышения эффективности и снижения стоимости. Это стало особенно очевидно после 2011 г., который показал резкое снижение стоимости «солнечного» кВт часа.
  • Кремний останется основой фотовольтаики, особенно, когда речь пойдет о десятках гигаватт вводимых мощностей. По мере роста объемов производства фотовольтаики встанет проблема роста объемов производства «солнечного» кремния. Сегодняшние решения через «Сименс-процесс» не являются экологически оптимальными. Видимо, после 2020 г. интенсифицируются процессы бесхлорного получения «солнечного» кремния.
  • Развитие энергетики в России и государственная политика в этой области, включая «Энергетическую стратегию России на период до 2030 г», пока выдержаны в духе индустриальной энергетики и ориентированы на наращивание добычи ископаемого топлива и энергетических мощностей. Недостаточное внимание уделяется развитию ВИЭ, децентрализации энергоснабжения. Стратегия энергообеспечения должна основываться на принципе упреждения, а развитие ВИЭ должно осуществляться ускоренными темпами.


И резюме: Несмотря на недостатки, присущие ВИЭ, «энергетическая корзина», состоящая из них, могла бы поддерживать мировую экономику на плаву. Но только в том случае, если будут выполнены следующие условия:

  • беспрецедентное проявление политической воли и честности;
  • невиданный доныне размах международного сотрудничества;
  • гигантский объем капиталовложений;
  • примерно 25-50 лет всеобщего мира для перевода на новые источники энергии мировой экономики, включая транспортные и телекоммуникационные сети, обрабатывающую промышленность, сельское хозяйство, университеты, больницы и т.д.;
  • появление рационально мыслящих и честных лидеров, способных управлять этим переходным процессом, который растянется на целое поколение.


Вопрос развития ВИЭ - это не только вопрос энергетики. Миссия ВИЭ заключается в 3 задачах: экологической, экономической, цивилизационной. Главное – в головах. Предстоит изменение сознания в вопросах генерации энергии и использования ресурсов. Этот процесс начался и будет нарастать – от соревнования «мощи ресурсов» мы переходим к «соревнованию мозгов» в энергетике.

С.И. Плеханов, НПП КВАНТ

Комментариев нет: