Какой должна стать энергетика России к 2050 году

Почему именно к 2050 году?

Необходимость трансформации энергетики как в мире, так и в России именно к 2050 году вытекает из обязательств по Парижскому климатическому соглашению. По нему все страны мира обязались предпринять действия, которые обеспечат ограничение роста глобальной температуры величиной в 2 ^оС, и будут стремиться к действиям для ограничения потепления величиной 1,5 ^оС.

По многочисленным научным расчетам, в частности, Международной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), для этого необходимо достичь полной углеродной нейтральности к 2050 году. Причем основное сокращение (вдвое) выбросов парниковых газов (ПГ) должно быть сделано к 2030 году, уже через восемь лет, а к 2040 году в четыре раза по сравнению с объемами выбросов в 2020 году.

Почему такое внимание уделяется энергетике?

При климатических расчетах в сектор энергетики включается добыча, транспортировка и переработка ископаемого топлива (ИТ), его сжигание для получения энергии и использование ИТ в транспорте. В мире этот сектор дает почти три четверти всех выбросов ПГ, в России — более 80 процентов. Поэтому на климатические решения в энергетике обращается особое внимание.

Энергетика выигрышно отличается от других секторов тем, что технологии полного прекращения выбросов ПГ при производстве энергии и на транспорте известны и достаточно хорошо разработаны. Они заключаются в переходе на возобновляемые источники энергии (ВИЭ). В других сферах человеческой деятельности, например, в производстве цемента и стали, в обращении с отходами и в сельском хозяйстве известны методы снижения выбросов ПГ - но не полного их прекращения.

Потенциал ветровой энергии в России

Когда говорят о ВИЭ, обычно концентрируют внимание на энергии ветра и солнца. Эти два источника доступны почти повсеместно и технологии их использования хорошо разработаны. Россия обладает самым большим ветровым энергопотенциалом в мире. По оценкам, технический потенциал энергии ветра в 50 раз больше нынешнего электропотребления в России.

На карте ниже показано распределение ветрового энергопотенциала в России на высоте 200 м (современные ветряки строятся с высотами опор более 200 м). Видно, что ветропотенциал отличный или хороший на всей территории европейской части России. В азиатской части оптимальный ветропотенциал сосредоточен в основном вдоль морских побережий и горных хребтов.

Потенциал солнечной энергии в России

Согласно оценкам, технический потенциал солнечных электростанций (СЭС) в России в 2,5 раза больше нынешнего электропотребления, а потенциал солнечных тепловых станций — в 30 раз больше потребления тепловой энергии. В южных регионах России удельный потенциал солнечной энергии в 1,5 раза выше, чем в Германии.

На карте ниже показано распределение среднедневной за год суммарной солнечной радиации, поступающей на наклонную поверхность южной ориентации с углом наклона, равным широте местности. Видно, что наилучшие условия — на Дальнем Востоке, в Прибайкалье, Южном федеральном округе, Крыму и областях вдоль южной границы.

В высоких широтах потенциал солнечного излучения мал. Строить там солнечные тепловые или электростанции технически и экономически малоцелесообразно. Более того, зимой в высоких широтах, когда потребность в энергии существенно возрастает, эти станции почти не вырабатывают электроэнергии, а за Полярным кругом — совсем не вырабатывают.

В отличие от России, в низкоширотных странах солнечный энергопотенциал очень высок, а максимумы выработки СЭС совпадают с максимумами потребления электроэнергии (на кондиционирование).

Потенциал геотермальной энергии в России

Годовой тепловой технический потенциал геотермальных источников России в 40 раз превышает годовое потребление тепловой энергии. На двух третях территории России геотермальную энергию можно использовать для отопления.

Для производства электроэнергии требуется получать из земли пар при температуре выше 120 градусов, а лучше (экономичнее) — при температуре выше 200 градусов. Таких мест на территории России не очень много, это горные районы с вулканической активностью. Распределение геотермальных источников показано на карте ниже.

Перспективы приливных источников энергии в России

Существуют проекты приливных электростанций: в Мезенском заливе Белого моря (8 ГВт), в Тугурском заливе Охотского моря (8 ГВт) и в Пенжинской губе в северо-восточной части залива Шелихова Охотского моря (87 ГВт). В сумме их проектируемая установленная мощность составляет почти половину установленной мощности всех электростанций России.

Что не обсуждается в этой статье

Небольшой объем этой статьи не позволяет даже кратко затронуть другие виды ВИЭ: ГЭС, малые ГЭС, биоэнергетику, сбросное тепло и т. д. Также не обсуждаются экологические проблемы, вызываемые применением ВИЭ. Кроме того, не обсуждаются другие климатические решения, тем более что они вызывают ожесточенные споры. К ним относятся: природные решения, атомная энергетика, улавливание и хранение углерода, геоинжиниринг и другие.

Нестабильность выработки энергии возобновляемыми источниками

Большинство ВИЭ имеет существенный недостаток — нестабильность выработки энергии. Ветровые электростанции плохо работают при слабом ветре и совсем не работают при штиле. Солнечные электростанции совсем плохо работают в пасмурную погоду, почти не работают зимой в высоких широтах и прекращают выработку ночью. Приливные станции работают всегда, но прекращают вырабатывать электроэнергию приблизительно каждые 6 часов 12 минут, когда прилив сменяется отливом или наоборот. Такая нестабильность выработки совершенно не годится для электросети. Геотермальные источники являются стабильным источником энергии.

Нестабильность потребления энергии

К нестабильности источников энергии добавляется нестабильность потребления энергии. Существуют суточные, недельные и годичные циклы потребления энергии. Спрос на электроэнергию повышается в дневное время, в будние дни и зимой. Потребление тепловой энергии в России (которой потребляется в 2,5 раза больше, чем электрической) возрастает зимой в пять раз по сравнению с летом, а суммарное потребление электрической и тепловой энергии в январе приблизительно в три раза выше, чем в июле.

Выработка энергии с помощью ВИЭ не согласована с ее потреблением

На графике ниже представлена динамика небаланса электромощности, который возникал бы в электроэнергетике Германии в 2050 году при погодных условиях 2009 года и при следующем составе источников: доля нестабильных источников — ВЭС и СЭС — 85 %, остальные 15 % обеспечиваются ТЭС на биогазе, ГеоТЭС и ГЭС. Видно, что мощность может падать в 6 раз и вырастать в 2,5 раза от общей средней мощности выработки электроэнергии, которая составляет 61 ГВт. Электросистема страны не может работать при таких величинах небаланса.

Как решить проблему нестабильности производства и потребления энергии?

Существуют три способа преодолеть нестабильность ВИЭ. Первый способ — накапливать энергию в период избытка ее выработки, и отдавать накопленную энергию в сеть, когда возникает в этом потребность. Можно также создать огромные энергосистемы и передавать энергию из областей с ее временным избытком в области, где ее временный недостаток. Поскольку штиль или пасмурная погода могут распространяться на большие части континентов, то такая энергосистема должна покрывать целые континенты или даже быть межконтинентальной. Третий способ — построить такое количество ВИЭ, что даже в периоды минимальной выработки энергии ее будет достаточно для полного обеспечения энергопотребностей. Все три способа должны использоваться совместно.

Технологии запасания энергии

Существуют различные технологии запасания энергии, которые обеспечивают прохождение периодов низкой генерации продолжительностью от нескольких минут до нескольких месяцев. Анализ всех возможных способов запасания энергии показывает, что основные используемые в настоящее время технологии — аккумуляторы и гидроаккумулирующие ГЭС — способны запасать энергию на часы, максимум на несколько суток. Это позволяет справляться с суточными и недельными колебаниями. Проблему отопительного сезона эти способы не решают. Например, для отопления сельского дома средних размеров в средней полосе России в течение всей зимы потребовалось бы 240 тонн аккумуляторов (это 4 железнодорожных вагона) стоимостью около 3 миллионов долларов. И что самое ироничное, они должны находиться в отапливаемом помещении.

Единственным способом запасать энергию на несколько месяцев является производство водорода или синтетического газа, используя энергию ВИЭ в период избытка ее выработки. Такие топлива, производимые с помощью энергии ВИЭ, называются «зелеными». Первым этапом производства любого «зеленого» топлива является получение водорода электролизом воды. Так что Водородная директива, принятая недавно в Евросоюзе — беспроигрышное решение. Сейчас пока нельзя однозначно сказать, что окажется технологически и экономически предпочтительным — использование водорода или другого энергоносителя, — но водород потребуется в любом случае.

Следует отметить, что создание систем аккумуляции энергии недешево. При запасании энергии на 2-6 часов (2-часовая аккумуляторная батарея или 6-часовое хранение аккумулирующими ГЭС) стоимость аккумуляции составляет около четверти стоимости единицы энергии. Такие системы можно применять там, где нет отопительного сезона. При запасании энергии на 6-7 месяцев теми же технологиями запасание единицы энергии будет стоить приблизительно в 200 раз больше, чем ее производство, не говоря о технической невозможности это осуществить.

Чем должна характеризоваться энергетика России в 2050 году?

Энергетику России в 2050 году можно представить себе следующим образом:

- ВЭС являются основой электрогенерации. В регионах с недостаточным ветропотенциалом и хорошим солнечным широко используются СЭС.

- Для отопления широко применяются геотермальные источники энергии и энергия солнца.

- Ветровые и солнечные источники энергии дополняются, в зависимости от региона, другими локально экономичными ВИЭ.

- Создана и работает инфраструктура по производству, транспортировке и хранению «зеленого» газа, а также достаточное количество других систем накопления энергии.

- Построена и работает мощная единая энергосистема, предпочтительно совместно с соседними странами.

- Перестают работать все месторождения ИТ, еще раньше прекращена их разведка. Остаются только полости в старых месторождениях, которые могут быть использованы для хранения «зеленого» газа.

- Перестают работать и закрываются все электростанции на нефтепродуктах и угле, причем угольные электростанции — в первую очередь. Газовые электростанции остаются, но используют только «зеленый» газ.

- Перестают работать все нефтепроводы. Газопроводы работают только для перекачки «зеленого» газа.

Что будет на самом деле в 2050 году?

На самом деле углеродная нейтральность в мире не будет достигнута к 2050 году. Только некоторые страны обещают стать углеродно-нейтральными к этому сроку. К счастью, в их список входят и крупные эмиттеры парниковых газов: США (15 % выбросов ПГ), ЕС (9 %) и Япония (4 %). К 2060 году обещают стать углеродно-нейтральными Китай (30 %) и Россия (5 %). Индия (7 %) обещает стать углеродно-нейтральной к 2070 году.

Разница между углеродной нейтральностью и прекращением выбросов парниковых газов

К сожалению, углеродная нейтральность — не то же самое, что отсутствие выбросов парниковых газов. Под углеродной нейтральностью имеется в виду, что выбросы ПГ все-таки остаются, но они «компенсируются» так называемыми «стоками» углерода, например, поглощением атмосферного углерода лесами. Величину такого поглощения трудно определить. К примеру, Малайзия утверждает, что каждое дерево в ее лесах поглощает в четыре раза больше углерода, чем такое же дерево в соседней Индонезии. Величина поглощения углерода лесами России с каждым годом увеличивается на бумаге, иногда очень существенно. Выбросы же при огромных пожарах недоучитываются.

Еще загадочнее торговля так называемыми «компенсациями», которые также учитываются для углеродной нейтральности. Считается, что деньги от их купли-продажи идут на выполнение проектов в развивающихся странах, которые приводят к поглощению углерода. Бывает, что такие проекты вообще не осуществляются и существуют только на бумаге. Также в этих проектах возможны огромные приписки. В мире нет стран, которые обещают достичь углеродной нейтральности без применения подобных схем.

Остаются совсем неразработанными технологии улавливания и хранения углерода. Однако на них тоже делается расчет при обещаниях достижения углеродной нейтральности.

Достижение углеродной нейтральности к 2050 году реально

Действительная углеродная нейтральность мира к 2050 году достижима. Но для этого необходимы гораздо более активные действия всех стран по сравнению с нынешними. Основной вклад в этой деятельности должны сыграть богатые развитые страны, которые не только обладают достаточными финансовыми ресурсами и необходимыми технологиями, но к тому же несут основную ответственность за антропогенный углекислый газ, находящийся сейчас в атмосфере Земли.

Осознавая необходимость существенного увеличения климатических усилий, Российский социально-экологический союз и другие экологические организации России призывают руководство Российской Федерации, в частности, принять национальную цель достижения углеродной нейтральности к 2050 году и пересмотреть цель снижения выбросов парниковых газов на 2030 год — принять цель снижения на 60 % от уровня 1990 года без учета поглощения лесами.

А. Федоров