Декарбонизация, или Когда человечество перейдет к возобновляемой энергии?
Ученые давно бьют тревогу, - потепление климата Земли к концу XXI века более чем на пару градусов Цельсия может привести к беспрецедентным и необратимым последствия планетарного масштаба. Главной угрозой остаются парниковые газы, вернее, их основной источник - энергетика, на долю которой приходится почти 40 процентов всех выбросов или около 700 тонн СО2 каждую секунду. У человечества есть альтернатива, - к середине XXI века землянам придется либо смириться с перспективой вымирания, либо полностью перейти на альтернативную энергетику. А поскольку «декарбонизация», то есть отказ от углеводородных энергоресурсов, стала уже жизненно необходимой, значит, и переход на возобновляемые источники энергии становится глобальной задачей. Не случайно все 175 стран-«подписантов» Парижского соглашения по климату, включая Россию, взяли на себя обязательства ограничить эмиссию парниковых газов, чтобы не допустить к 2100 году роста средней температуры на планете более чем на 2 градуса.
В начале 2017 года немало шума наделал доклад Международного энергетического агентства, показавший, что еще в 2015 году впервые в истории объем построенных в мире электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии, превысил объем введенных в эксплуатацию станций, работающих на угле, газе и атоме. По данным МЭА, из 300 ГВт новых электростанций на долю гидро-, солнечных и ветряных станций пришлось 153 ГВт, а инвестиции в сектор ВИЭ приблизились к 300 миллиардам долларов. Исходя из этого, аналитики МЭА увеличили на 13 процентов свой же прогноз по росту сектора возобновляемой энергетики: в 2017 году ученые предрекли, что в 2021 году на долю ВИЭ будет приходиться до 60 процентов всех новых электростанций.
Такой оптимизм вызван быстрым снижением цены «зеленой» энергии за счет масштабных инвестиций в новые, экологически чистые технологии. По оценкам МЭА, только с 2012 по 2017 годы себестоимость энергии ветра упала на треть, солнечной энергии – на 80 процентов, а в 2021 году они снизятся еще на 15 и 25 процентов соответственно. Вот о многом говорящий пример: в мае 2017 года на тендере на строительство крупной солнечной станции в ОАЭ, победила компания, предложившая поставлять энергию по цене 2,99 цента за кВт-ч, без каких-либо субсидий со стороны государства или потребителей. Для сравнения, - это в два раза ниже розничной цены электроэнергии в Москве. Достаточно дешевую электроэнергию смогли получить и в Мексике, - энергия от солнечных электростанций и ветряков там стоит от 3,5 до 6 центов за кВт-ч , причем никаких дотаций тут не потребовалось, хотя цена включает в себя все расходы на строительство станций.
По оценкам международной группы ученых при Стэнфордском университете ООН под руководством Марка Джейкобсона, к середине XXI века к возобновляемой энергетике перейдут как минимум 139 стран мира, которым сегодня принадлежит 99 процентов выбросов углекислого газа в атмосферу. Ученые уверены: «зеленая энергетика» способна решить массу проблем. Так, переход к возобновляемой энергии уничтожит около 28 миллионов рабочих мест, однако создаст более 52 миллионов новых.
Необходимыми элементом «The 2050 vision» («Образа 2050») авторы исследования ООН считают создание «SuperSmart Grid», или «сверхумной» системы солнечных электростанций на севере Африки, развитие сети гидро- и ветряных электростанций в Великобритании и Скандинавии, при одновременном увеличении доли биотоплива и морской энергии. Одним из ключевых компонентов здесь может стать единый для Европы и Северной Африки энергетический рынок.
Многие страны уже идут по пути перехода к возобновляемой энергетике. Так, Германия к 2020 году планирует довести количество возобновляемой энергии в своем энергетическом секторе до 35 процентов. Заботится о будущем и Китай, который в течение пяти лет потратит на возобновляемую энергетику Китай не менее 360 миллиардов долларов. Согласно докладу промышленного объединения WindEurope, 86 процентов новых европейских электростанций уже производят энергию из возобновляемых источников.
Дания решила полностью отказаться от геологоразведки нефти и газа в Северном море, и к середине XXI века полностью перейти на ВИЭ. Климатически нейтральной планирует стать и вся Европа, - ЕС хочет к 2050 году сократить выбросы СО2 на 60 процентов именно за счет развития системы ВИЭ. Более того, оценив ключевые проблемы энергетического сектора Европы, эксперты Европейского климатического форума, Потсдамского Института исследования воздействия на климат и Международного института прикладного системного анализа в Австрии пришли к выводу, что уже в середине нашего века вполне реален переход Старого Света к стопроцентному покрытию спроса на электроэнергию за счет возобновляемых источников. Если учесть, что уже сейчас этот спрос наполовину удовлетворяется за счет импорта электроэнергии от ВИЭ, то при сохранении нынешних тенденций, доля ВИЭ может увеличиться до 70 процентов уже к 2030 году.
Признанным «чемпионом» Европы в этой сфере остается Дания, где к 2050 году ВИЭ будут вырабатывать весь объем энергии, производимой в этой стране. Это дает хорошие результаты уже сегодня: в нынешнем году датчане смогли на 34 процента по сравнению с 1990 годом сократить выбросы парниковых газов в атмосферу. Достаточно сказать, что 35 процентов от общего объема электроэнергии, потребляемой в Дании, производится из возобновляемых источников, и половина этой электроэнергии приходится на ветровые электростанции. Разумеется, это происходит не «само собой»: в Дании работает программа стимулирования развития интеллектуальных сетей, геотермальной энергетики, производства «биогаза» и развития других экологичных технологий. Эта же программа предусматривает и создание новых рабочих мест именно в «зеленом» секторе энергетики.
В США тоже вкладывают огромные деньги в развитие «зеленой» энергетики. Так, Массачусетс три года назад принял закон, согласно которому к 2035 году он станет первым американским штатом, где 100 процентов электроэнергии будет генерироваться с помощью ВИЭ, а уже к 2050 году вся экономика штата, включая транспорт, перейдет на возобновляемую энергию.
Не отстает и Япония. Еще в 2017 году ученым и инженерам Университета Киото удалось удвоить КПД солнечных элементов за счет применения оптических технологий при преобразовании тепла в электричество. Для повышения эффективности солнечного элемента японцы создали новый полупроводник наноразмера, сужаеющий диапазон волн для концентрации энергии. Для выделения видимых длин волн требуется температура в 1000° С, но обычный кремний плавится при температуре свыше 1400° С, поэтому японские ученые протравили на кремниевых платах множество одинаковых и равноудаленных цилиндров высотой примерно 500 нм, находящихся на определенном расстоянии друг от друга и оптимизированных под нужный диапазон. Этот материал и позволил ученым поднять КПД полупроводников как минимум до 40 процентов. Для сравнения: пиковый для солнечных элементов КПД — 26% — был достигнут учеными Калифорнийского университета в Беркли в 2016 году. Тогда американцам удалось найти оптимальное сочетание двух перовскитовых материалов, каждый из которых впитывает разные длины волн солнечного света. Созданная в Японии более совершенная конструкция позволит создавать компактные и надежные преобразователи, которые смогут применяться во многих отраслях.
А что же Россия? Увы, мы продолжаем сидеть на нефтегазовой игле, рассчитывая на рост спроса в Европе. Но если Старый Свет к середине века перейдет в основном на «зеленую» энергию, потребность в российских традиционных энергоносителях постепенно снизится, и тогда резонно встанет вопрос, - для чего мы заморачивались с Северным и Южным потоками?
Владимир Путин понимает важность проблемы, и называет возобновляемые энергоресурсы «верным направлением» развития мировой энергетики. А значит, есть надежда на развитие, например, экологически чистой водородной энергетики, которая позволит заменить уголь на водород при производстве стали, и перевести на водород весь железнодорожный транспорт. Но тут все зависит от того, как заработает российская программа развития водородной энергетики, и сможет ли страна к 2035 году выйти на производство запланированных двух миллионов тонн водорода. Это будет каплей в море мирового водородного рынка – 85 миллионов тонн.
Увы, даже при огромном потенциале использования солнечной и ветровой энергии, но при отсутствии сколько-нибудь внятной программы создания низкоуглеродной энергетики, и при нынешнем состоянии отечественной технологии, это, скорее, мечты, которые Россия сможет осуществить только в сотрудничестве с другими странами, у которых есть такие технологии, - например, с США, Китаем и Японией. Единичные примеры такого сотрудничества уже есть, - можно вспомнить Фонд развития ветроэнергетики, созданный энергокомпанией Fortum и «Роснано», а также «Башни ВРС» — совместный проект испанской компании Windar Renovables, «Роснано» и «Северстали». Есть примеры и в сфере ветряной энергетики, - так, компания Westas Manufacturing Rus в мае 2018 года построила в Нижегородской области завод по производству гондол для ветряных турбин, что потребовало более 5,2 миллионов долларов капиталовложений и позволило создать новые рабочие места в регионе. Готовятся прийти на российский рынок и такие производители оборудования для «зеленой» энергетики, как Siemens-Gamesa Renewables и « Lagerwey».
Впрочем, учитывая колоссальные запасы нефти, газа и угля, и политическое влияние энергетических компаний вроде «Газпрома» или «Лукойла», надеяться на быстрое развитие российской «зеленой» энергетики не приходится, - по оценкам экспертов, исключением здесь станет разве что развитие гидроэлектростанций. Конечно, нам могут напомнить пилотный проект в российской солнечной энергетике, – построенную недавно Абаканскую СЭС. Она более чем наполовину была построена на базе отечественного оборудования и обеспечивала экологически чистой энергией целый район Абакана. Но это, скорее, приятное исключение, чем правило.
Пока, если не считать гидроэнергетики, на долю которой приходится 51,5 гигаВатт энергии из приблизительно 53,5, вырабатываемых в России посредством «чистых» энергетических технологий, возобновляемые энергоресурсы составляют лишь 3,6 процента энергетического баланса страны, а к 2030 году эта доля вырастет, в лучшем случае, только до 4,9 процента. Если же надеяться на повышение этой доли до 11,3 процентов «возобновляемой» энергетики в общем балансе энергопотребления, то для этого потребуются ежегодные инвестиции объемом не менее 15 миллиардов долларов, и большая часть этой суммы будет направлена на строительство генерирующих мощностей.
К самым перспективным для России направлениям можно отнести производство солнечных панелей из принципиально новых материалов, - это будет выгодно, если удастся довести КПД солнечных батарей хотя бы до 22 процентов. Еще одна перспективная сфера – развитие технологии хранения энергии. Речь идет о создании энергоемких и быстро заряжающихся алюминиево-ионных аккумуляторов, способных заместить более распространенные на рынке литий-ионные батареи. Уже есть опытные образцы, но до коммерциализации дело пока не дошло. Третье направление – «умные» сети или smart grid, более продвинутая технология оптимального регулирования энергопотоков, позволяющего уменьшить дорогой резерв мощности, сохранив при этом надежность сети и сделав энергию дешевле.