Как подсчитать объемы серой энергии

Рис. 1 Прирост ветряных электростанций и АЭС и прогноз прироста АЭС для возможности отказа от использования углеводородного сырья.

Климатические изменения влияют абсолютно на все грани нашей жизни: от экономики до вопросов разоружения. И раз это так, исследовать весь комплекс связанных вопросов нужно с самых разных сторон. Интересно, что если вы постоянно следите за какой-либо темой, легко не заметить новые достижения, которые ведущие страны мира постепенно достигают в глобальной климатической повестке. Плохие новости, как, например, ценовой кризис на энергетическом рынке, получают намного больше внимания. Потому что их не ждут. Словом, нужен баланс. Чтобы не пропустить на самом деле важные события. Вопросы серой энергии – как раз из их числа.

Прежде всего стоит определиться с самим понятием «серая энергия». Речь идет о полном объеме потраченной энергии на производство продукта, добычу материалов, его составляющих, а также энергетических расходов на транспортировку конечного продукта до потребителя. Само понятие появилось совсем недавно, в связи c необходимостью оптимизации издержек во время энергетического перехода на зеленую энергетику.

Например, фермер, выращивающий урожай из собственных семян в благоприятном климате, должен затратить энергию на производство упаковки и доставку продукта до конечного потребителя. Кажется, все просто. Но в реальности все намного сложнее, потому что точно подсчитать количество серой энергии для какого-либо отдельного продукта крайне сложно: при выращивании овощей используются пестициды, гербициды, удобрения, сельскохозяйственная техника и т.д. Все это требует огромных затрат энергии на логистику, добычу ископаемых и их переработку в необходимые продукты.

Возникает вопрос: неужели оптимизация производства до сих пор была недостаточной? Существует ряд различий. До начала современного энергетического перехода оптимизация происходила в первую очередь с точки зрения финансового результата и элементов протекционизма. Сейчас, когда человечество столкнулось с климатическим вызовом, на первый план начала выходить проблема энергетическая, напрямую влияющая на выбросы парниковых газов и истощение неосложненно разрабатываемых природных ресурсов. Поэтому в серой энергии часто не учитывается та потребленная часть, которая выработана зеленой энергетикой.

Трансформация экономики

Нужно признать – финансовые потери при минимизации воздействия на окружающую среду неизбежны. Из-за глобального изменения климата человечеству придется научиться в первую очередь оценивать и оптимизировать расходы энергии, и уже во вторую – экономические прибыли. Соответственно поменяется и глобальное устройство мировых рынков. Особенно сильная перестройка произойдет в области высокотехнологичных производств, потребляющих колоссальные объемы энергии и самые трудноизвлекаемые ресурсы. Энергетический переход непременно вызовет новые торговые санкции – страны начнут отказываться от импорта, использующего для производства неэкологичные виды топлива, и будут стремиться к локализации производств для минимизации углеродного следа от транспортировки. Кроме того, производство на собственной территории дает серьезные преимущества – продовольственную и промышленную независимость. Да и технологическую. Недавние действия США это подтверждают – санкции на часть китайских производителей и договор о строительстве новой микроэлектронной фабрики TSMC на территории США. Промышленная политика Китая меняется в сторону максимального увеличения производственных мощностей до начала самой активной фазы торговых войн.

Впереди нас ждут международные договоры, распределяющие квоты по странам на объем выбросов парниковых газов в атмосферу, и если часть стран не подпишет этих договоров, то торговые санкции будут наиболее жесткими, а конкуренция за носители энергии наберет новые обороты. Особую роль будет иметь природный газ, который остается самым экологичным видом ископаемого топлива, и в ближайшие годы именно он будет постепенно замещать уголь, являющийся топливом для 40% производимой сейчас в мире энергии.

Вместе с тем со временем газ тоже будет вытеснен более экологичными видами топлива, ведь еще в 2019 году страны ЕЭС договорились о снижении выбросов углекислого газа до 55% от уровня 90-х годов и до нуля в перспективе до 2050 года.

Энергетическая оптимизация

Одной из самых сложных и важных задач сейчас является оценка объемов серой энергии в зеленой энергетике: сколько фактически затрачивается серой энергии на производство 1 МВт энергии и как оптимизировать энергетические расходы. Например, объемы затраченной на производство солнечных батарей энергии иногда превышает объем вырабатываемой ими энергии за весь срок службы. Это происходит из-за неразумного размещения батарей – солнечные электростанции устанавливают в районах с недостаточной инсоляцией или когда пренебрегают экологичностью производства солнечных батарей в целях снижения себестоимости. Также часто не утилизируют отходы производств, не фильтруют выбросы и используют самые дешевые виды ископаемого топлива, например уголь. Такую ситуацию мы видим в наиболее загрязненных промышленных регионах Китая, который сейчас наращивает количество АЭС самыми быстрыми темпами в мире: Китай в пять раз за последние 10 лет нарастил количество вырабатываемой АЭС электроэнергии. Также Китай активно участвует в разработке более перспективных токамаков (контролируемый термоядерный синтез), которые позволят использовать не уран, а дейтерий, легко получаемый из воды.

Перевод производств ближе к непосредственным потребителям в данный момент затруднен. Такие районы вырастают, как правило, вокруг мест добычи необходимых для них полезных ископаемых, а лидером по добыче и переработке широко применяемых во всех технологических производствах редкоземельных элементов и элементов платиновой группы является Китай. Таким образом, прежде всего нужно производить разведку месторождений полезных ископаемых и организовывать их добычу, параллельно занимаясь вопросами экологии.

Особое внимание стоит уделить не только количеству энергии, затраченному на производство и доставку энергетических установок, но и на потери энергии при подаче от места выработки к потребителю. Это включает в себя не только потери на длинных линиях передачи электроэнергии, но и энергию, которая тратится впустую при простое установок или частично теряется в случае запасания энергии в аккумуляторах или тепловом виде для использования в пиковые часы потребления. Сейчас разрабатываются различные экологичные способы запасания энергии. Например, использование гравитации: во время профицита выработки энергии специальные башенные краны поднимают груз, а во время пиковых часов потребления вырабатывают энергию от груза, автоматически опускаемого под воздействием силы тяжести. Но пока эти способы далеки от промышленной реализации. Большие потери энергии происходят в пиковые часы потребления, когда энергия перебрасывается из других районов. Скажем, в максимальные часы нагрузки с Красноярской ГЭС, не считаясь с потерями, часть энергии перебрасывается в Москву, за несколько тысяч километров. Казалось бы, это довольно странно, но ГЭС – один из немногих видов электростанций, которые могут динамически регулировать выработку энергии, чего очень не хватает в энергетике.

Серьезной проблемой при переходе на экологичную энергетику, в которой, по текущим прогнозам, активнее всего будут развиваться ветряная и солнечная составляющая, станет невозможность размещать эти типы электростанций в районах со слабыми ветрами (ветряные электростанции эффективнее всего работают в приморских районах) и в районах, где мало солнечных дней; солнечные батареи будут действительно эффективны в пустынных жарких районах, где они не будут отнимать площади, которые можно использовать под сельское хозяйство. В обратном случае серая энергия возьмет свое. Поэтому дополнительно придется развивать альтернативные зеленые технологии, наиболее перспективными из которых являются получение и использование водорода и токамаки, плюс условно зеленые классические АЭС (так как они все-таки используют ископаемое топливо).

Обязательно нужно соблюдать баланс между объемом выработки энергии, ее потреблением и потерями на доставку и запасание.

Рис. 2   Доля необходимых инвестиций в различные области энергетики до 2040 года при сохранении текущих темпов развития.  Инфографика авторов

Даже при очень оптимистичном прогнозе сохранения темпов развития ветряной и солнечной энергетики к 2040 году получится увеличить их долю в 5 и 10 раз соответственно (смотри рис. 1) до 33%. Но человечеству к 2050 году, в соответствии с соглашениями о нулевых выбросах, все равно придется заместить еще 33%, которые приходятся на долю угля, газа и нефти. Повысить темпы в этих областях не получится просто технически. Самый быстрый и простой способ заместить недостающее объемы, причиняя минимальный вред экологии, – строительство АЭС. Но для этого понадобится, чтобы темпы строительства, взятые Китаем, подхватили и другие страны, в первую очередь другие разработчики технологий (США, Россия, Франция), а остальным странам, включая мощных потребителей в Европе, которые заморозили новые строительства или полностью запретили использование АЭС, придется отказаться от своих принципов. Оптимистичный прогноз, который позволит отказаться от использования углеводородов в энергетике, показан на рис. 1. Для модели прироста ветряных электростанций была использована полиномиальная модель третьей степени, основанная на данных GWEC. Для модели прироста АЭС, позволяющей достичь необходимого уровня выработки энергии, была использована полиномиальная модель третьей степени, использующая данные IEA с 2000 по 2020 год.

Есть ли какие-то еще альтернативы строительству АЭС? Да, новую революцию в энергетике могут сделать токамаки. Исследования по ним возобновились с новой силой после первого получения положительного коэффициента выхода энергии. Токамаки – ядерные установки, использующие в отличие от классических АЭС не ядерный распад, а ядерный синтез, не только позволяющий в разы увеличить выработку энергии по сравнению с классическими АЭС, но и не использовать труднодобываемые и опасные ископаемые – в качестве топлива используется дейтерий и тритий, которые легко получить из воды. Такие установки пока существуют только в исследовательском формате, и перед их промышленным применением ученым придется решить две задачи.

Первая и основная – время удержания плазмы. Существующий на данный момент рекорд в 101 секунду установлен на китайском токамаке EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), который сейчас включен в международный проект по постройке токамака ITER. Сам проект ITER как раз должен решить эту проблему, по расчетам, на нем уже можно будет удерживать плазму до 400 секунд, чего для промышленного применения уже будет достаточно. Строительство ITER неоднократно затягивалось, в итоге первая рабочая плазма, по плану, будет получена в нем только в 2035 году. Несмотря на это, через 2–3 десятилетия нас, вероятно, ожидает бурное развитие ядерной энергетики. Совсем недавно правительство Великобритании опубликовало план достижения лидирующего положения в мире в области управляемого термоядерного синтеза. Ключевым пунктом этого плана является строительство полнофункционального прототипа термоядерного реактора STEP (Spherical Tokamak for Energy Production) и электростанции на его основе к 2040 году.

А окончательно проблему удержания плазмы можно будет решить, развивая не токамаки, а стеллараторы. Стеллараторы в отличие от токамаков имеют несимметричную форму камеры для плазмы, благодаря чему в них можно удерживать плазму без использования сверхмощных магнитов, только при помощи катушек, что делает конструкцию значительно проще и дешевле, а также теоретически позволяет непрерывно удерживать плазму. Такие установки начали разрабатывать и строить для исследований еще в 50-х годах прошлого века, но в последнее десятилетие они получили новый скачок в эффективности благодаря доступному теперь компьютерному моделированию, которое позволяет заранее правильно и оптимально просчитать геометрию плазменной камеры.

Вторая проблема, общая для всех реакторов термоядерного синтеза, – нейтронная радиация. Существующие сейчас реакторы используют дейтерий-тритиевое топливо, при использовании которого выделяются нейтроны. Нейтроны вызывают вторичные ядерные реакции, в результате чего сама установка становится радиоактивной, а сами материалы, из которых она сделана, подвергаются ускоренному физическому старению, сильно понижая надежность и безопасность системы. В перспективе это топливо должно быть заменено безнейтронным дейтерий-гелиевым топливом, что решит обе вышеозначенные проблемы. Такие работы тоже уже ведутся.

Вторая возможная мощная сила – водород. Его легко получить электролитическим разложением воды на водород и кислород, но при этом тратится электроэнергия (которую, в свою очередь, можно получать от экологичных источников). Чем же он хорош, раз для его производства требуется много электричества? Ответ прост – это то, чем проще всего заменить нефтепродукты и газ. Водород можно вырабатывать непосредственно на электростанциях, а потом доставлять куда угодно в сжиженном виде по трубопроводам (что пока затруднительно из-за отсутствия подобных разработок) или на транспорте, его и использующем в качестве топлива. А самое главное – после его сжигания (то есть фактически окисления при взаимодействии с кислородом) в атмосферу выбрасывается только вода! Прощайте, бензин и газ. Ведь кроме энергетики мы получаем действительно зеленый транспорт. Но проблемы, из-за которых водород пока широко не используется, тоже есть. Водород тяжело «удержать» в объеме, он имеет тенденцию легко просачиваться из замкнутого объема, а в газообразном виде при смешивании с кислородом, даже из воздуха, образует гремучую смесь, что пугало людей еще с крушения дирижабля «Гинденбург». Но эти проблемы решаемы, достаточно давно существуют действующие модели самолетов и автомобилей, работающих на водороде, а в ракетной технике водород и кислород применялись в качестве топлива второй и третьей ступени еще в ракете Saturn-V, доставлявшей астронавтов на Луну во всех миссиях программы «Аполлон». Проблема только в том, что без финансовых вложений уже сегодня эти технологии придут к реальным промышленным реализациям после 40-х годов.

Выводы

У России есть уникальная особенность в энергетической сфере – еще в советское время по различным причинам была заложена энергетическая база, использующая не имеющие выбросов диоксида углерода АЭС и гидроэлектростанции. Оба этих вида энергетических установок имеют серьезное преимущество по сравнению с солнечными и ветряными электростанциями – они работают непрерывно и позволяют регулировать выдаваемую мощность, сглаживая пики потребления. При этом не требуются аккумуляторные станции для запасания энергии, чье производство само по себе весьма энергозатратно не столько из-за сложности, сколько из-за необходимости переработки и утилизации. Эти станции питают в том числе один самых энергозатратных видов промышленности – металлургию.

Так, Красноярская ГЭС обеспечивает питание Красноярского металлургического завода, а Саяно-Шушенская ГЭС питает Саянский и Хакасский алюминиевые заводы и угольные разрезы. Таким образом, на первом этапе развития зеленой энергетики, при введении мировым сообществом квот на объем выбросов парниковых газов Россия может переуступать свою невостребованную часть крупным иностранным промышленным центрам.

Россия занимает шестое место в мире по запасам нефти и первое – по запасам газа. Месторождения с высокой рентабельностью постепенно заканчиваются. Поэтому нефтегазовые месторождения необходимо продолжать развивать, постоянно улучшая энергоффективность, показатели которой отстают от мировых почти в два раза. Внедрение же современных и уже существующих технологий сможет снизить первичное энергопотребление почти на 30%. Использование ресурсной базы нужно сохранить как важный элемент будущей энергетической политики. Важнейшая задача на ближайшие годы – повышение коэффициента эффективности добычи существующих энергоресурсов вместе со снижением первичного энергопотребления с последующей модернизацией энергосистем. Нефтяные компании должны ежегодно выделять около 80% капитальных затрат на то, чтобы не допустить уменьшения собственных запасов. Но за последние шесть лет ежегодные совокупные капитальные вложения мировой отрасли упали с 742 млрд долл. до 340 млрд долл. в 2021 году. Тем не менее расчеты показывают, что в ближайшие десятилетия необходимые инвестиции в углеводороды все еще могут превышать расходы на зеленую энергетику (см. рис. 2). Для осуществления модели (рис. 1) придется дополнительно повысить инвестиции в области ядерной энергетики до уровня финансирования возобновляемых источников энергии, что частично можно сделать за счет урезания инвестиций в углеводороды.

Для того чтобы не отстать в энергетической гонке, необходимо уже сейчас активно развивать промышленный сектор и высокотехнологичные производства. Это потребует, помимо финансовых вливаний, дополнительной разработки месторождений редкоземельных элементов. Кроме того, уже имея экологичные способы производства большого объема электроэнергии (ГЭС и АЭС), важно ускорить работу по водородной тематике и активнее участвовать в разработке токамаков и стеллараторов, иначе первенство в этой области получат США, Китай и Франция. Каталитическое разложение воды на водород и кислород требует больших объемов энергии, но имеет большие перспективы, так как существующие электромобили не только потребляют электроэнергию, но и используют аккумуляторы, имеющие большой объем серой энергии. При их производстве используются большие объемы лития и редкоземельных элементов, требующие больших энергетических затрат. Кроме того, в мире до сих пор полностью не решена большая проблема утилизации и переработки аккумуляторов. Водород сам по себе может стать как экотопливом для транспорта, так и топливом для зеленых энергетических установок в районах, где затруднено по каким-либо причинам развитие других типов электростанций.