Стресс мировой энергетики

Известный ученый Рае Квон Чунг формулирует условия перехода на возобновляемые источники энергии.

В конце ноября в рамках V международного форума по энергоэффективности и развитию энергетики ENES-2016 прошел саммит премии «Глобальная энергия». Каждый год, начиная с 2012 года, когда в Москве состоялось первое такое мероприятие, ведущие эксперты и представители власти собираются в разных частях земного шара для обсуждения наиболее острых проблем отрасли и поиска возможностей их решения. Саммит успел побывать в Брюсселе, Сингапуре и Милане, а сейчас вернулся в столицу России. В этот раз он объединил известных ученых и специалистов из шести стран мира. Вместе они досконально разобрали стрессовый сценарий развития мировой энергетики. Вывод лауреатов международной премии и членов комитета по ее присуждению был однозначный: ответом на вызовы сегодняшнего дня и ближайшего будущего должны стать новая энергетическая политика, а также развитие и распространение современных технологий. 

Концепцию нового подхода к энергетике представил советник председателя Группы лидеров и экспертов высокого уровня по проблемам воды и стихийным бедствиям при генеральном секретаре ООН Рае Квон Чунг, который также является членом Межправительственной группы экспертов по изменению климата (в 2007 году эта группа получила Нобелевскую премию мира). Он уверен, глобальную стратегию развития следует базировать на трех «Э»: энергетике, экономике и экологии. Эти три составляющие должны быть очень тесно переплетены. По его словам, чистая возобновляемая энергетика стимулирует экономический рост без вреда для экологии. И без постоянного усовершенствования технологий тут не обойтись. Но для успешного действия модели крайне необходимо эффективное сотрудничество частного и государственного секторов. «Государство должно быть вовлечено в развитие энергетики, а общество должно разделять его видение», – отметил ученый.

Энергетика

Ситуация в глобальной энергетике сейчас очень сложная, говорят эксперты. Между тем к 2030 году нужно обеспечить всеобщий доступ к недорогим и надежным энергетическим услугам, которые должны отвечать растущим потребностям человечества. Такова одна из целей устойчивого развития мира, установленных ООН. При этом модератор саммита, президент ассоциации «Глобальная энергия» Игорь Лобовский подчеркнул, что выполнить эту задачу будет непросто: «Стремительный рост населения планеты неизбежно увеличивает мировое энергопотребление, и в 2015 году проблема энергетического голода коснулась так или иначе почти 4 млрд человек. Большинство аналитиков считают, что к 40–50-м годам XXI века революции в энергетике не произойдет, и ископаемое топливо будет преобладать. В то же время мы каждый день слышим о буме возобновляемых источников энергии, но смогут ли уже завтра они стать достойной заменой углеводородному сырью?» 

По последним прогнозам, углеводородное топливо будет лежать в основе мирового энергобаланса как минимум до конца XXI века. Лауреат Нобелевской премии мира (2007) и премии «Глобальная энергия» (2012) технический директор NET Power Родней Джон Аллам считает, что, если доминирующая роль углеводородов сохранится, критически важно перейти на электростанции нового типа. Ученый разработал для них цикл процессов, где углекислый газ полностью улавливается и используется повторно. Это делает такие энергосистемы абсолютно чистыми с экологической точки зрения. К тому же цена выработанного ими электричества на 30–40% дешевле, чем у угольных станций. Проект будет запущен весной следующего года, когда в США откроется первая такая установка мощностью 50 МВт. Учитывая обязательства государств в рамках Парижского соглашения по сокращению выбросов углекислого газа, подобные технологии становятся особенно актуальными.

Экология

На одной из сессий форума ENES-2016 Аллам отметил, что научно-технические прогнозы относительно развития глобальной энергетики разнятся, но одно сомнению не подлежит: энергопотребление будет только расти и процесс этот неконтролируемый. Еще одну ложку дегтя внесут в ситуацию и климатические изменения. «Текущие прогнозы говорят о том, что при сохранении текущей ситуации к 2100 году повышение температуры будет составлять от 4 до 6 градусов», – сообщил эксперт. Сдержать потепление могут возобновляемые источники энергии (ВИЭ), биотопливо, атомная энергия и переход на более безопасные для окружающей среды виды углеводородного топлива. При этом на текущий момент ВИЭ и мирный атом обеспечивают лишь 20% общего потребления, а этого недостаточно, уверен Аллам.

Однако не все считают, что влияние углекислого газа на климат так однозначно. Например, академик РАН Олег Фаворский заявил, что «климат зависит от лучистого теплообмена между землей и космосом, 60% в котором занимают пары воды. Именно они определяют изменение климата, поэтому плата за выбросы СО2 – это чистой воды спекуляция». 

В свою очередь, Рае Квон Чунг убежден, что неэкологичные углеводородные источники энергии все же вносят свою лепту в глобальное изменение климата. 

Экономика

Мир стоит на перепутье, сказал Родней Джон Аллам, и следующая волна  технологической революции связана с энергетикой. Он призвал «в ускоренном режиме и без лишних расходов бороться с выбросом СО2 в атмосферу. К 2050 году необходимо снизить уровень выброса СО2 до 450 частей на миллион». Этого должно быть достаточно, чтобы ограничить глобальное потепление двумя градусами Цельсия.

По словам Аллама, одна из главных задач подобных саммитов создать информационное поле, которое может подсказать правительству, куда стоит направить денежные потоки. А финансировать нужно прежде всего те исследования и разработки, внедрение которых даст в перспективе позитивный эффект. К тому же специалисты из разных стран тоже должны сотрудничать между собой. Было бы неплохо сформировать единую базу знаний, которая станет основой для создания более объективных мировых прогнозов, защищенных от влияния локальной политики.

И все же именно в экономических аспектах заключен наибольший стресс для энергетики, считает лауреат премии «Глобальная энергия» (2005), член правления VDI-GEU Клаус Ридле. Уровень потребления энергии на душу населения во многом зависит от уровня жизни и экономической мощи той или иной страны. Разрыв между бедными развивающимися и богатыми индустриально развитыми странами в этом плане огромен. 

Аналитики предсказывают, что к 2050 году мировой спрос на энергию вырастет в полтора раза, а конкретно на электричество – почти вдвое. Возможность ответить на эти вызовы зависит от наличия топливных ресурсов, технологий их использования, а также денежных средств. «Задача энергообеспечения мира настолько масштабна и сложна, что нам нужно использовать все доступные на сегодня технологии, – заявил Клаус Ридле. – Поскольку мировые ресурсы распределяются неравномерно, страны должны устанавливать надежные торговые отношения, и при этом инвестирования в отрасль должны быть защищены государством. Также необходимо, чтобы энергетическая политика была взвешенной и последовательной».

Молодые ученые-победители XIII Общероссийского конкурса молодежных исследовательских проектов в области энергетики «Энергия молодости». Фото пресс-службы «Глобальной энергии»

Перспективные источники

Для каждого государства стратегически важно рационально использовать свою сырьевую базу, то же верно и для человечества в целом. Но одного этого недостаточно, нужно искать альтернативу и постепенно переходить на новые более экологичные и доступные источники энергии. И вариантов здесь множество, убежден лауреат премии «Глобальная энергия» за этот год, научный руководитель Института катализа CО РАН, академик РАН Валентин Пармон: «Конечно, углеводороды на текущий момент доминируют, но у нас есть неистощимый источник энергии – это солнце. Солнечная энергия поступает на Землю в количестве, многократно превышающем даже перспективные запросы человечества. Мы должны развивать технологии по переводу ее в химическое топливо, а также использовать биомассу растений. Я хотел бы обратить внимание, что добыча древесины в России сравнима с нефтедобычей, половину мы не используем и выбрасываем». 

Не стоит сбрасывать со счетов и более экстравагантные разработки, связанные с космической энергией, сверхпроводниками и высокотемпературными материалами, напомнил академик РАН Борис Каторгин (лауреат премии «Глобальная энергия» 2012 года): «Есть проекты, которые предлагают вдоль экватора построить мощные солнечные электростанции и передавать энергию в любую точку земного шара. Такие проекты есть и пока звучат как фантастические, но это то, что нужно рассматривать особенно молодежи и двигать вперед. Возможно, получится все не так, как мы планируем, но будут найдены новые пути».

Водородная и геотермальная энергетика тоже таят в себе огромное количество возможностей. Например, на исландском острове Вестманнаэйяр сейчас реализуется идея использовать энергию теплого течения Гольфстрим для обогрева жилых помещений. О проекте на форуме рассказал его автор – генеральный директор Инновационного центра Исландии Торстейнн Инги Сигфуссон (лауреат премии «Глобальная энергия» 2007 года): «Технология тепловых насосов позволяет принимать морскую воду, температура которой составляет, скажем, 8 градусов Цельсия, и выделять из нее тепло. Для питания тепловых насосов требуется 12 МВт электроэнергии, а их КПД – в три раза больше: они дают 36 МВт тепловой мощности, что позволяет существенно экономить ресурсы». 

Однако велика вероятность, что блестящие достижения в области высоких технологий осядут в развитых странах и будут работать на снижение потребления энергии только там, выразил опасение научный руководитель Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, академик РАН Алексей Конторович (лауреат премии «Глобальная энергия» 2009 года). Он призвал учитывать долгосрочные и краткосрочные стресс-факторы в глобальном масштабе: «Человечество должно к этому готовиться. Нам нужен новый энергетический порядок, который будет утвержден между всеми странами, а политики пока плохо договариваются между собой».

Участники форума отметили, что технологическая сфера сейчас очень подвижна и впереди нас ждут новые открытия. Уже сегодня мы видим удешевление ВИЭ, сокращение затрат на добычу сланцевых углеводородов, увеличение емкости аккумуляторов для электромобилей, да и машин такого типа становится все больше. Кроме того, появляются самодостаточные энергоэффективные дома, в области энергетики постепенно развиваются информационные технологии на базе искусственного интеллекта и интернет-вещей, а часть торговли ресурсами перешла в онлайн. Современные стрессы в энергетике только на руку инноваторам, ведь они вынуждают отрасль ускорять технический прогресс.

Вызовы для России

России в борьбе с выбросами углекислого газа следует обратить особое внимание на развитие, тестирование и активное внедрение технологий улавливания и хранения СО2, посоветовал Родней Джон Аллам. Сокращение выбросов он считает приоритетной задачей для нашего топливно-энергетического комплекса.

Министр энергетики РФ Александр Новак, выступая на сессии «Энергоэффективность и развитие энергетики в России: вызовы и ответы», назвал и другие факторы, на которые необходимо реагировать. Среди них глобальное снижение цен на углеводороды, технологические прорывы, рост вмешательства государства в рыночные механизмы, а также замедление роста потребления топливно-энергетических ресурсов на рынке в сравнении с ростом экономики. Работать по этим вопросам министерство предлагает сообща – без инициатив со стороны представителей бизнеса и науки тут не обойтись. 

Рае Квон Чунг, в свою очередь, порекомендовал в этих целях сформулировать долгосрочную стратегию последовательного перехода на возобновляемые источники энергии с низкими выбросами: «Сейчас происходит смена парадигмы, ориентированная на переход к низкоуглеродному будущему. Сжигание углеводородов не может больше служить гарантией экономического роста – нужны новая экономическая парадигма, инвестиции в возобновляемую энергетику и более совершенная и ориентированная на энергетику налоговая система. Надо переходить в новую эру, где сжигание природных ресурсов не может больше гарантировать конкурентоспособность». 

Энергия молодости

Над энергетической эффективностью и безопасностью в России уже работают. Особенно интересные проекты ассоциация «Глобальная энергия» поощрила грантами на общую сумму в 3 млн руб. Эти средства поделили между собой победители XIII общероссийского конкурса молодежных исследовательских проектов в области энергетики «Энергия молодости – 2016». Гранты в размере 1 млн руб. каждый получили:

– научный коллектив из Томска под руководством Михаила Андреева. Тема исследования «Разработка программно-аппаратной платформы для всережимного моделирования в реальном времени интеллектуальных энергосистем»;

– научный коллектив из Красноярска под руководством Андрея Минакова. Тема исследования: «Расчетно-экспериментальное исследование способов подавления низкочастотных пульсаций давления в проточном тракте гидроагрегатов высоконапорных ГЭС»;

– научный коллектив из Санкт-Петербурга под руководством Ивана Старкова. Тема исследования: «Практическая разработка твердотельного охладителя на мультикалорическом эффекте».

Томичам награда досталась за разработку мультипроцессорного моделирующего комплекса. По сути, это платформа, которая позволяет воссоздать в виртуальной реальности практически любую существующую энергосистему и тестировать ее на прочность в стрессовых условиях. «Аварии – это не проблема России, это проблема мировая, – отметил Михаил Андреев. – Предсказать, что, где и как произойдет, крайне тяжело. Но если иметь модель энергосистемы, очень близкую к реальной, можно проводить различного рода исследования. Сейчас таких комплексов не существует». Платформа, над которой работает коллектив Андреева, имеет высокую точность моделирования и помогает снизить вероятность техногенных аварий. Кроме того, на ней можно проводить обучение работающего в энергосистеме персонала. А по цене разработка выигрывает как у цифровых (в 2–3 раза), так и у физических аналогов (в 5–7 раз). Между тем в России сегодня используется всего две физические модели, которые во многом устарели, а также цифровые комплексы. 95% из них разработаны другими странами. 

Красноярцы научились продлевать жизнь гидроэнергетическому оборудованию. Сроки работы увеличиваются благодаря снижению амплитуды пульсации давления. Также повышается безопасность оборудования, снижаются риски аварийных ситуаций, а КПД наоборот растет. По словам Андрея Минакова, для России вопрос повышения эффективности ГЭС весьма актуален: «На сегодняшний день на территории России насчитывается 14 ГЭС с установленной мощностью свыше 1000 МВт, не говоря уже о количестве ГЭС с более низкими мощностями. Поэтому проблема снижения пульсаций потока и вибраций конструкций в турбинах очень актуальна для современной гидроэнергетики». Технология может быть интересна и зарубежным рынкам – китайскому, бразильскому, канадскому, индийскому и многим другим.

Петербуржцы нашли способ произвести уникальный твердотельный охладитель, и холодильники теперь можно будет создавать на основе фотоэлементов. Получится недорого и более безопасно для окружающей среды. «Наш проект помогает решить сразу ряд проблем различного характера: это и экологические проблемы, такие как глобальное потепление и разрушение озонового слоя, в том числе наши исследования сильно затрагивают и проблемы мирового энергосбережения», – подчеркнул Иван Старков. Перспективы на мировом рынке у этой разработки колоссальные, на нее уже обратили внимание представители Bosch, LG и Embrac.