Помоги проекту - поделись книгой:
Мы редко задумываемся, каким энергетическим потенциалом обладает солнце. Между тем годовая солнечная радиация по энергетическому содержанию многократно превосходит все мировые запасы ископаемого топлива (нефти, газа, угля, урана) вместе взятые. Только за один час на Землю поступает столько солнечной энергии, сколько человечество использует за год во всех сферах.
Сегодня мы уже научились использовать этот потенциал с достаточно высокой эффективностью и умеренными затратами. Для этого применяются два основных типа генерирующих устройств, преобразующие солнечную энергию в электричество.
Первый, наиболее распространенный и доминирующий в мировой генерации, тип устройств использует фотоэлектрический эффект, он представлен широко известными солнечными модулями (панелями или батареями) – фотоэлектрическими преобразователями. Сфера деятельности, в которой применяется данный способ электрической генерации, обобщенно называется фотоэлектрикой или фотовольтаикой (англ. photovoltaic – PV).
В устройствах второго типа применяются зеркала или линзы, для того чтобы уловить солнечное излучение с больших площадей и сконцентрировать его на небольшой площади. При этом электрическая энергия производится, когда сконцентрированное солнечное излучение преобразуется в тепло, запускающее тепловой двигатель (паровую турбину), связанный с электрогенератором. Данная система носит название «концентрированная солнечная энергия» (англ. concentrated solar power – CSP), а производимая ею электроэнергия – «солнечным тепловым электричеством» (англ. solar thermal electricity – STE). Данные аббревиатуры зачастую используются как синонимы. В русском языке также используется термин «гелиотермальная электроэнергетика».
Существует также и «гибридная» система производства солнечного электричества, называемая «концентрированной фотоэлектрикой» (англ. concentrated photovoltaics – CPV). В ней также используются зеркала и линзы, но для фокусирования, концентрации солнечного излучения в высокомощных фотоэлектрических элементах (англ. multi-junction solar cells).
Фотоэффект
Фотоэлектрический эффект, или фотоэффект, благодаря которому световая энергия преобразуется в электрическую, был открыт еще в 1839 г. французским физиком Александром Беккерелем, а в 1905 г. объяснен Альбертом Эйнштейном, который в 1921 г. получил Нобелевскую премию именно за теорию фотоэлектрического эффекта. В 1954 г. американские исследователи разработали солнечный элемент на основе кремния, позволяющий преобразовывать солнечный свет в электричество с 6 %-ной эффективностью[43]. На основе данной разработки в 1955 г. была создана первая солнечная батарея. С конца 50-х гг. прошлого столетия солнечные батареи использовались в космической отрасли, пока наконец не стали доступными для применения и в других сферах.
В развитии технологий солнечной энергетики самое деятельное участие принимали и российские ученые, в частности упомянутый выше академик Алферов получил премию «Чистая энергия» за «фундаментальные исследования и значительный практический вклад в создание полупроводниковых преобразователей энергии, применяемых в солнечной и электроэнергетике».
Львиную долю мирового рынка фотоэлектрики, примерно 90 %, занимают сегодня солнечные модули на основе кристаллического кремния. Около 10 % приходится на тонкопленочные технологии разных видов, а на быстрорастущий сегмент концентрированной фотоэлектрики (CPV) пока менее 1 %.
Интригой дальнейшего развития солнечной энергетики является эффективность солнечных (фотоэлектрических) модулей и динамика их стоимости, а также прогресс в производстве иных составляющих солнечных электростанций. В принципе, солнечная энергетика бурно растет уже и при нынешнем уровне производительности модулей, а дальнейший рост эффективности приведет к еще большему повышению ее конкурентоспособности на энергетическом рынке. При этом очевидно, что эффективности есть куда расти. Чуть ли не ежемесячно приходят новости об очередном технологическом прорыве в том или ином исследовательском центре, позволяющем добиться повышения эффективности разных типов модулей.
В настоящее время в лабораторных условиях установлены следующие рекорды эффективности солнечных ячеек: 25 % – для монокристаллических (sc-Si), 20,4 % – для поликристаллических (mc-Si). В сфере тонкопленочной технологии лучшие результаты составляют 19,8 % для пленок на основе диселенида меди индия галлия (CIGS) и 21 % для пленок на основе теллурида кадмия (CdTe)[44]. Последний из указанных типов модулей имеет, по-видимому, все шансы потеснить кремниевые технологии в связи с ростом эффективности, сочетающимся с меньшей энергоемкостью и низкими удельными затратами на производство 1 Вт.
За последнее десятилетие средняя эффективность находящихся в продаже модулей на основе кристаллического кремния увеличилась с 12 до 16 %, а лучшие коммерческие модели имеют эффективность 21 %. У тонкопленочных модулей (CdTe) за то же десятилетие средняя эффективность выросла с 9 до 13 %, а рекордный показатель составляет 17 %[45].
Между тем современные модели монокристаллических модулей уже сейчас показывают лабораторную эффективность, превышающую 23 %, что обещает скорый рост эффективности модулей, предлагаемых на рынке[46]. Более того, продолжающие эксперименты с химической структурой модулей и использованием для их производства все новых материалов дают обнадеживающие результаты. Например, использование минерала перовскита при производстве кремниевых модулей, возможно, позволит еще больше увеличить их эффективность и снизить стоимость[47].
В сфере концентрированной фотоэлектрики (CPV) эффективности существенно выше, но она работает только с прямой солнечной радиацией, что ограничивает географию ее использования богатыми солнцем регионами. Серийные показатели достигают здесь 35 %[48], а лабораторный мировой рекорд для многопереходных солнечных элементов (multi-junction solar cells) составляет 44,7 %[49].
Производство компонентов солнечных электростанций (помимо модулей) также совершенствуется с высокой скоростью. Снижение стоимости инверторов, основных элементов солнечных электростанций, практически повторяет кривую стоимости фотоэлектрических модулей. Расход материалов для производства инвертора за последние десять лет сократился с 12 до 2 кг на ватт[50]. И производители прогнозируют продолжение данного тренда.
Вообще вопрос используемых материалов в солнечной энергетике достаточно важен. Кремний, являющийся основой фотоэлектрики, – второй по распространенности на Земле элемент после кислорода. Но даже его солнечная энергетика старается экономить. Расход кремния для производства панелей сократился за десять лет с 16 до 6 г на ватт, что, однако, сопровождалось вышеназванным ростом их эффективности[51].
Помимо кремния, при производстве солнечных ячеек и модулей используется целый ряд материалов, в том числе редких и ценных. Одним из них является серебро. Примерно 20 г серебра используется в каждой панели из кристаллического кремния, а для одного гигаватта требуется уже 80 метрических тонн драгоценного металла[52]. Солнечная энергетика потребляет сегодня примерно 5,6 % добываемого в мире серебра, и при заявляемых перспективах роста рынок может столкнуться с существенным повышением спроса на этот металл[53].
В то же время достаточно высока вероятность технологических прорывов и в данном направлении, которые могут привести к сокращению удельного потребления серебра либо к полному отказу от него в пользу, например, меди.
Экология солнечного электричества
Давайте посмотрим на экологическую сторону солнечной энергетики. Электричество, производимое с помощью солнца, не является «климатически нейтральным» или абсолютно экологически чистым. Более того, фотоэлектрика оставляет на Земле определенный «углеродный след». «Как же так? – спросите вы. – Опять обман с этой чистой энергией?»
Все познается в сравнении. Сама выработка электроэнергии с помощью фотоэлектрических модулей чистый процесс, но вот их производство – не вполне. Основные компоненты солнечных фотоэлектрических панелей изготавливаются из кристаллического кремния. Производство этих компонентов – энергоемкий процесс, в котором затрачивается до 60 % общего количества энергии, используемой для изготовления солнечных батарей. Точный углеродный след какой-либо конкретной солнечной панели зависит от многих факторов, в том числе источника материалов, расстояния, на которое они должны транспортироваться, и источников энергии, которая используется заводами. Например, в Китае – ведущем производителе солнечных фотоэлектрических панелей – производственный процесс в значительной степени зависит от угольных электростанций, что способствует повышению углеродного следа солнечных панелей, сделанных в Китае.
Тем не менее выбросы, связанные с фотоэлектрикой, в десятки раз меньше, чем у газовой и, тем более, угольной генерации, – всего от 15,8 до 38,1 г CO2 на киловатт-час производимой энергии[54]. Для китайских модулей, правда, исследователи предлагают умножать данный показатель на коэффициент 1,3–2,1.
Кроме того, поскольку солнечная энергетика замещает традиционную генерацию на основе ископаемого топлива, можно подсчитать, к какому сокращению вредных выбросов это приводит. Установленные к концу 2013 г. солнечные электростанции производят примерно 160 ТВт·ч электроэнергии в год, что обеспечивает сокращение выбросов CO2 на 140 млн т в год[55].
Энергоемкость производства солнечных модулей позволяет скептикам высказывать сомнения в окупаемости оборудования с энергетической точки зрения. Мол, в производстве солнечной панели сжигается столько энергии, сколько данная панель никогда не выработает. Это ошибочная точка зрения, и срок энергетической окупаемости (energy payback time) солнечных модулей в сравнении с жизненным циклом модуля на сегодняшний день чрезвычайно мал. Он составляет 0,68–1,96 года в зависимости от условий производства и эксплуатации[56], притом что современные производители обычно гарантируют 25-летнюю работу солнечных модулей с сохранением минимум 80 % исходной мощности.
Производство фотоэлектрических панелей связано со сложными химическими процессами, в результате которых может происходить загрязнение окружающей среды не только посредством энергетических затрат и соответствующих выбросов в атмосферу, но и, так сказать, напрямую.
В принципе процесс производства фотоэлектрических модулей во многом схож с производством полупроводников, используемых в компьютерах и электронике. Да, здесь применяются разнообразные вредные вещества: хлористоводородная и серная кислота, азотная кислота, фторид водорода, ацетон и т. п. При производстве должны соблюдаться соответствующие требования по охране труда и окружающей среды.
Экологический вред производства солнечных модулей часто преувеличивается. Например, некоторые критики указывают на содержание в некоторых панелях кадмия, который является чрезвычайно токсичным металлом. При этом забывается, что один стандартный, используемый в шуруповертах и фонарях для дайвинга никель-кадмиевый аккумулятор содержит в 2500 раз больше кадмия, чем тонкопленочный модуль CdTe, а производство киловатт-часа электроэнергии угольной электростанцией приводит к выбросам кадмия, в 360 раз превышающих потребность модуля CdTe для производства того же киловатт-часа[57].
Вред окружающей среде от того или иного вида генерации может быть оценен в денежном выражении с помощью специальных моделей. По данным исследования ученых Колумбийского университета (2006 г.), экстерналии (external costs) фотоэлектрики составляют €0,015 на выработанный киловатт-час, что сопоставимо с другими возобновляемыми источниками энергии и в 10–40 раз ниже, чем у электростанций, работающих на углеводородном топливе[58]. Более позднее исследование министерства окружающей среды Германии (Umweltbundesamt) показало, что экстерналии солнечной энергетики оцениваются в €0,012 на киловатт-час[59]. Для распределенной солнечной генерации, в особенности при интеграции ее в здания (на крыши и фасады), внешние эффекты должны быть еще меньше, поскольку в таком случае не выводятся из оборота земельные участки и не происходит климатических изменений в районе размещения, как это может происходить при покрытии больших поверхностей суши фотоэлектрическими панелями.
Развитие технологий, уменьшение затрат материалов на единицу мощности, о котором говорилось выше, приведут к дальнейшему сокращению нежелательных «внешних эффектов» солнечной энергетики для окружающей среды, не говоря о повышении ее рентабельности. Солнечная энергетика уже сейчас становится конкурентоспособной по стоимости производства электричества с традиционными видами генерации, также и удельные капитальные затраты опускаются ниже показателей газовых и угольных электростанций, тем более атомных и дизельных. Об экономической стороне развития ВИЭ подробно рассказывается в главе «Экономика возобновляемой энергетики».
Демократичная энергетика
Солнечная энергетика на основе фотоэлектрических модулей является самым «демократичным» видом энергетики. На энергетическом рынке присутствуют солнечные электростанции любых размеров, начиная от нескольких киловатт до сотен мегаватт. В Германии в настоящее время действуют 1,4 млн солнечных электростанций[60], большая часть которых принадлежит частным лицам (установлена на крышах индивидуальных жилых домов), и примерно половина электроэнергии ВИЭ производится гражданами и фермерскими хозяйствами. В Австралии также установлено более миллиона кровельных солнечных электростанций, примечательно, что в 2008 г. этот показатель составлял всего 20 000[61]. Порядка 14 % зданий в Австралии уже оснащено фотоэлектрическими модулями[62]. Китай, стремительно вырывающийся в мировые лидеры солнечной энергетики, усиленно продвигает распределенную генерацию. В 2015 г. там планируется ввести в эксплуатацию втрое больше мощностей распределенной солнечной генерации, чем в 2014 г., при этом минимум 3,15 ГВт мощностей должно быть расположено на крышах зданий[63].
Таким образом, особенностью солнечной энергетики является ее распределенный характер – возможность безопасной, бесшумной и экологически чистой генерации солнечного электричества непосредственно в месте потребления без присущей традиционной энергетике необходимости создания инфраструктуры по доставке сырья и капиталоемкого строительства протяженных линий электропередач.
При этом, разумеется, наряду с миллионами малых «индивидуальных» станций существуют и крупные формы – в мире действуют также и гигантские фотоэлектрические парки. Две крупнейшие в мире солнечные электростанции находятся в штате Калифорния, США. Topaz Solar Farm (введена в 2014 г.) и Desert Sunlight Solar Farm (2015 г.), каждая из которых обладает установленной мощностью 550 МВт, обеспечиваемой миллионами фотоэлектрических модулей. Крупнейшая европейская солнечная электростанция, Senftenberg Solarpark (мощность 166 МВт), расположена в Германии. Планы мирового первенства в данной сфере в последние годы вынашивает Китай, заявляющий о планах строительства фотоэлектрического гиганта в 2000 МВт.
Нынешние размеры промышленной солнечной генерации еще раз подчеркивают динамику развития мировой возобновляемой энергетики – какие-то десять лет назад мощность крупнейшей фотоэлектрической электростанции (Bavaria Solarpark в Германии) составляла всего 6,3 МВт.
В России солнечная энергетика находится в зачаточном состоянии. В течение последних лет были созданы рамочные условия для развития солнечной (фотоэлектрической) генерации и уже реализованы проекты электростанций промышленного масштаба. В 2014 г. введена в строй Кош-Агачская солнечная электростанция на Алтае мощностью 5 МВт, крупнейшая в России на сегодняшний день (не считая полученных «в наследство» солнечных электростанций в Крыму). До 2020 г. планируется построить еще несколько сотен мегаватт фотоэлектрических генерирующих мощностей. Правовые условия для распределенной (частной) солнечной генерации в России не созданы.
Зеркала Архимеда
Для производства солнечного электричества исключительно в крупных промышленных масштабах, сопоставимых по размерам с традиционной тепловой генерацией, используется солнечная тепловая (гелиотермальная) электроэнергетика (концентрированная солнечная энергетика – CSP), которая преобразует солнечное излучение иначе, чем фотоэлектрика.
Мы знакомы с принципом действия CSP с детства. Помните, как ловили солнечный луч лупой? Предметы, поднесенные под линзу, начинали плавиться, дымиться или даже возгораться. Любители истории, возможно, помнят легенду, по которой знаменитый Архимед оборонял родные Сиракузы с помощью концентрированных солнечных лучей. «Когда римские корабли находились на расстоянии полета стрелы, Архимед стал действовать шестиугольным зеркалом, составленным из небольших четырехугольных зеркал, которые можно было двигать при помощи шарниров и металлических планок. Он установил это зеркало так, чтобы оно пересекалось в середине зимней и летней солнечными линиями, и поэтому принятые этим зеркалом солнечные лучи, отражаясь, создавали жар, который обращал суда римлян в пепел, хотя они находились на расстоянии полета стрелы», – пишет историк[64]. В 1973 г. греческий ученый д-р Иоаннис Саккас, пытаясь понять, мог ли Архимед действительно разрушить римский флот в 212 г. до н. э., выстроил 60 греческих моряков, каждый из которых держал продолговатое зеркало и направлял отраженный солнечный свет в одну точку – на изготовленный из фанеры и просмоленный силуэт корабля, расположенный в 160 м. Корабль загорелся через несколько минут, однако историки продолжают сомневаться в истории Архимеда.
Тем не менее описанный принцип используют сегодня в гелиотермальной энергетике. Установленные на большой территории зеркала-гелиостаты, поворачивающиеся вслед за Солнцем, сводят солнечные лучи в один пучок, направляя его на емкость с теплоносителем, в качестве которого обычно выступает вода. Дальше процесс происходит так же, как на обычных ТЭС: вода нагревается, закипает, превращается в пар, пар приводит в движение тепловой двигатель (обычно паровую турбину), турбина вращает ротор генератора, который вырабатывает электричество.
В настоящее время в данной области лидируют Испания и США, а ведь когда-то, сейчас сложно в это поверить, одним из технологических лидеров направления была Россия (точнее, СССР). В 1986 г., когда вся установленная в мире мощность солнечной генерации составляла всего 21 МВт, вступила в строй Крымская солнечная электростанция мощностью 5 МВт, работающая именно по принципу CSP. Увы, она была закрыта и разрушена в 90-х гг. ХХ века. Насколько передовой была технология – свидетельствует тот факт, что в то время существовала только одна подобная электростанция – первая и вторая очередь расположенного в Калифорнии комплекса Solar Energy Generating Systems (SEGS), и до 2005 г., помимо SEGS, в мире подобные электростанции не строились. С тех пор установленная в мире мощность CSP выросла до 4,8 ГВт[65] (причем основной рост начался в 2009 г. и существенная часть, 0,9 ГВт, была добавлена в 2014 г.), что составляет примерно всего лишь 1/40 часть мощности фотоэлектрической генерации.
Очевидно, гелиотермальная электроэнергетика конкурирует не только с углеводородной генерацией, но и с основным на сегодняшний день видом солнечной энергетики – фотоэлектрикой. Стремительное падение цены на солнечные модули давит на инвесторов в солнечное тепловое электричество. Именно по причине «неконкурентоспособности по сравнению с фотоэлектрикой» компания Google, ранее вкладывавшаяся в CSP, в ноябре 2011 г. отказалась от дальнейших инвестиций[66]. Действительно, удельные капитальные затраты ($3550–8760 на киловатт установленной мощности), а также приведенная стоимость производства электричества (LCOE), лежащая в границах $0,20–0,35 на киловатт-час[67], пока превышают соответствующие показатели как углеводородной, так и фотоэлектрической генерации, где отдельные проекты промышленного масштаба показывают LCOE менее $0,08 на киловатт-час[68].
В то же время развитие технологий и удешевление оборудования не обходит стороной и сферу солнечного теплового электричества. Кроме того, существенным преимуществом CSP является наличие накопителя тепловой энергии, который используется в большинстве проектов и с помощью которого значительно повышается коэффициент использования установленной мощности электростанции. Такой аккумулятор энергии, в котором на сегодняшний день в большинстве случаев используется расплавленная соль, позволяет выдавать электричество в утренние и вечерние часы или даже ночью, когда фотоэлектрика «спит».
Чтобы оправдать себя экономически, солнечные тепловые (гелиотермальные) электростанции должны строиться в регионах с большим количеством солнечных дней и высоким уровнем прямого солнечного излучения (более 5 кВт · ч/м² в день), к которым относятся юго-восток США, Испания, Австралия, Северная и Южная Африка, Южная Америка, Индия, Китай, Средний Восток. Соответственно, географическая сфера их применения, в отличие от фотоэлектрики, весьма ограниченна, и в России, даже в самых солнечных районах, их использование вряд ли целесообразно.
Международное энергетическое агентство видит в CSP большой потенциал, предполагая в рамках одного из сценариев развития энергетического рынка, что данный способ генерации к 2050 г. может обеспечить 11 % мирового производства электричества[69] (еще 16 % обеспечит фотоэлектрика, что приведет нас к вышеуказанной «солнечной доле» в 27 %). Более того, некоторые исследования рассматривают варианты повышения доли солнечного теплового электричества до 25 % к указанному сроку[70]. Я считаю такие планы чересчур агрессивными уже по той причине, что в мире помимо гелиотермальной электроэнергетики существует широкий набор как чистых, так и углеводородных способов генерации, которые конкурируют между собой за увеличивающийся в размерах энергетический пирог. В то же время на региональном уровне к 2050 г. STE может обеспечивать 40 % производства электричества на Среднем Востоке, 26 % – в Африке и 21 % – в Индии[71].
Солнечное будущее
Очевидно, что стремительный рост солнечной энергетики является угрозой сырьевой власти, которая может сопротивляться дальнейшему распространению чистой энергии. Однако мы практически уверены в тщетности попыток отката назад, и «сырьевым монстрам» вряд ли удастся задушить солнечную энергетику в колыбели. Она уже подросла и широко проникла в экономику десятков стран и жизнь десятков миллионов людей, превратилась в мощную наукоемкую отрасль глобальной экономики. Количество занятых в ней превысило 2,2 млн человек, в том числе 1,58 млн в Китае, более 100 000 в Индии и США, около 60 000 в Германии[72].
Энергообеспечение (не только электричеством) земного шара исключительно с помощью солнца – не утопия. И не исключено, что еще в нынешнем столетии человек придет к созданию энергетической системы, где солнце будет выступать абсолютно доминирующим источником энергии, если только не появятся иные, более рациональные способы генерации. Для такого глобального солнечного энергообеспечения потребуется площадь фотоэлектрических модулей, сопоставимая с размерами Испании[73]. Вроде бы много, но это только в том случае, если размещать их в одном месте. Солнце ведь светит круглосуточно, в разное время освещая территории на разной долготе. Возобновляемые источники энергии являются распределенными и доступны в разной степени во всех уголках земного шара. Зачем эксплуатировать их централизованно? Поэтому опоясывающие земной шар и связанные между собой «умными сетями» солнечные электростанции вполне могли бы обеспечить все человечество чистой энергией.
Вернувшись из области футурологии к нашим прогнозам, отметим, что дальнейшее развитие солнечной энергетики будет во многом зависеть от энергетической эффективности солнечных модулей, темпов удешевления оборудования, а также, в меньшей степени, развития аккумуляторных технологий, о которых будет рассказано в главе «Нестабильность ВИЭ и системы хранения энергии». В то же время на основе текущих трендов и имеющихся прогнозов можно с высокой долей уверенности заявить, что солнечная энергетика в течение двух – четырех десятилетий превратится в главный генератор – основного производителя электричества для планеты, существенно сократив сферу применения углеводородов.
Ветроэнергетика
Ветер является главным возобновляемым источником электрической энергии на сегодняшний день (без учета гидроэнергетики). Установленная мощность ветряных электростанций в мире составила в конце 2013 г. 318 ГВт. К июню 2014 г. она выросла до 336[74], а к концу года – до 370 ГВт[75]. 2014 г. стал рекордным по объему введенных новых ветроэнергетических мощностей в мире, а начиная с 2009 г. их годовой прирост ни разу не опускался ниже 35 ГВт. Для получения представления о масштабах изменений отметим, что построенные за один лишь 2014 г. мощности мировой ветроэнергетики превышают совокупную установленную мощность российских ГЭС и в два раза больше всех действующих атомных электростанций Российской Федерации.
Тысячелетняя история
Человек использует энергию ветра с незапамятных времен. В исторических источниках можно найти сведения об орошении полей в Месопотамии с помощью ветряных колес задолго до начала нашей эры и использовании ветряных мельниц в Египте, Персии и Китае в первом тысячелетии. В Европе ветряные мельницы, отдаленные прообразы современных ветрогенераторов, известны начиная с XII века. В Средние века ветродвигатели широко использовались для подъема воды, орошения полей, помола зерна и приведения в движение станков. До начала XIX века вода и ветер по сути являлись единственными источниками механической энергии, используемыми человечеством для обеспечения жизнедеятельности и развития, да и в конце того столетия с помощью этих источников вырабатывалось до 50 % глобальной энергии.
Согласно данным статистики, в 1882 г. в Германии насчитывалась 18 901 ветряная мельница. В России, по некоторым данным, к началу XX века число ветряных мельниц превышало 200 000. К этому времени технология их строительства была доведена до совершенства, а конструкция стала практически идеальной – с вращающимися крышами и саморегулирующимися в зависимости от направления и силы ветра крыльями.
Началом использования ветра для электрической генерации принято считать создание Чарльзом Брашем электростанции на основе ветряной мельницы для электроснабжения своего дома в 1888 г. В 1891 г. была построена первая ветряная электростанция в Дании. В 1920 г. немецкий физик Альберт Бец сформулировал закон, который был впоследствии назван его именем. По этому закону ветрогенератор может преобразовать не более 59,3 % кинетической энергии ветра. Теория Беца и сейчас является основой, на которой строятся расчеты современных ветряных электростанций, и нынешние ветряные турбины все ближе подбираются к заветной цифре.
Живя в «энергетической сверхдержаве», строящей свое материальное благополучие на эксплуатации месторождений ископаемого топлива, мы не забыли о том, что СССР являлся одним из мировых лидеров ветроэнергетики и имел для ее развития собственную мощную научно-теоретическую базу. В 1918 г. русский ученый В. Залевский создал «Полную теорию ветряных мельниц», в 1925 г. профессор Н. Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя и организовал отдел ветряных двигателей в ЦАГИ. В 1931 г. курский изобретатель А. Г. Уфимцев на десятилетия опередил свое время, построив первую в мире ветроэлектрическую станцию с инерционным аккумулятором, благодаря которому ветроустановка выдавала электричество даже при отсутствии ветра.
В 30-х гг. прошлого века в СССР производился широкий ассортимент ветроустановок мощностью 3–4 кВт, которые выпускались целыми сериями. В 1931 г. в Крыму, в районе Балаклавы, вступила в строй крупнейшая на тот момент в мире сетевая ветроэнергетическая установка. Опорная мачта ветродвигателя была построена по проекту В. Т. Шухова. Ветрогенератор с диаметром колеса 30 м и мощностью 100 кВт был на то время самым мощным в мире (мощность ветроагрегатов в Дании и Германии была в пределах 50–70 кВт при диаметре колеса до 24 м). Следом на юге страны были установлены десятки подобных ветрогенераторов. В 1938 г. в Крыму развернулось строительство ветроэлектростанции мощностью 5 МВт. В конце 1940-х гг. в ЦАГИ и других организациях активно велась разработка ветряных электростанций. С начала 1950-х гг. страна производила до 9000 ветроустановок в год с единичной мощностью до 30 кВт. В годы освоения целины в Казахстане была сооружена первая многоагрегатная ветроэлектростанция, работавшая в паре с дизелем, общей мощностью 400 кВт – прообраз современных европейских ветропарков и систем ветродизель.
После перерыва в 1960–1980-х гг., когда развитие электроэнергетики было ориентировано на создание «сконцентрированных» генерирующих мощностей – крупных ТЭС, ГЭС и АЭС, было принято Постановление Совета министров СССР № 1052 «Об ускоренном развитии ветроэнергетической техники в 1988–1995 гг.». В соответствии с ним к 1995 г. предполагалось ввести 57 000 ветроустановок. (Это совершенно невероятная цифра, достаточно заметить, что число ветроэнергетических установок в Германии, входящей в тройку крупнейших мировых производителей электричества из ветра, сегодня не превышает 25 000.) Существовали планы по постройке экспериментальных системных ветростанций, в том числе: Ленинградской ВЭС на берегу Финского залива (25 МВт), Джунгарской ВЭС в Казахстане (15 МВт), Крымской ВЭС на восточном побережье Крыма (125 МВт). По ряду известных причин этим планам, увы, не суждено было сбыться. Между тем именно в наши «лихие 90-е» начался расцвет современной мировой ветроэнергетики.
Чистая энергетика больших мощностей
В наше время развитие ветроэнергетической отрасли в мире происходит главным образом путем создания крупных, состоящих из множества турбин ветряных электростанций (их называют ветропарками или ветряными фермами) как на материке (оnshore), так и на море в прибрежных зонах, на шельфе (offshore). Морские ветряные электростанции существенно дороже береговых по капитальным затратам на единицу мощности, но они способны вырабатывать больше энергии.
Установка единичных ветряных генерирующих установок практикуется реже. В этом состоит существенное отличие ветроэнергетики от солнечной генерации, для которой характерен распределенный характер и в которой значительная доля общей выработки энергии принадлежит малым мощностям. Ветроэнергетика – это в первую очередь энергетика относительно крупных генерирующих предприятий, хотя распределенная генерация здесь также применяется.
История развития ветроэнергетики – это история роста размеров и мощности ветряков, наглядно демонстрирующая темп и глубину изменений в альтернативной энергетике. В 80-х гг. прошлого века средняя ветряная турбина имела ротор диаметром 17 м и выдавала всего лишь 75 кВт мощности. Современная ветряная турбина – существенно более крупный генерирующий объект. Находящееся приблизительно на 100-метровой мачте трехлопастное «колесо» диаметром те же 100 м обладает, по данным Европейской ассоциации ветроэнергетики, средней мощностью 2,2 МВт (на европейских береговых электростанциях) или 3,6 МВт (на морских)[76]. Разница объясняется сложностью строительных работ в морских условиях – на фундамент рационально ставить наиболее мощные установки. В 2014 г. введен в экспериментальную эксплуатацию крупнейший на сегодняшний день ветрогенератор датского производства мощностью 8 МВт, установленный на 140-метровой мачте. Такой агрегат способен в одиночку обеспечить электричеством небольшой город – 7500 средних европейских домохозяйств. Уже ведутся работы над 10-мегаваттной установкой.
Ветроэнергетика превратилась в мощную отрасль энергетики и экономики в целом, играющую все более важную роль в энергоснабжении многих государств. Уже в 85 странах электричество вырабатывается с помощью энергии ветра на коммерческой основе. Среди них лидируют (по установленной мощности): Китай (91 ГВт), США, Германия, Испания и Индия[77].
Выработка энергии ветряными электростанциями в Китае еще в 2012 г. превысила генерацию атомными электростанциями, а в 2013 г. ветряные электростанции произвели уже на 22 % больше электроэнергии, чем АЭС. В 2014 г. в Поднебесной было установлено 20,7 ГВт новых мощностей ветроэнергетики[78] (для сравнения: это больше, чем три Саяно-Шушенские ГЭС). Четырнадцатый год стал рекордным по вводу ветроэнергетических мощностей и в Германии, установившей примерно 1700 турбин общей мощностью 4,8 ГВт[79] – больше, чем когда бы то ни было.
Ветроэнергетика сегодня обеспечивает работой более 800 000 человек во всем мире (в том числе 356 000 в Китае и 138 000 в Германии)[80] и покрывает примерно 4 % мирового потребления электроэнергии. В некоторых странах и регионах эта доля существенно выше. По итогам 2014 г. Дания получила 39,1 % своей электроэнергии от ветряных электростанций, вплотную приблизившись к цели – производить к 2020 г. половину электроэнергии на основе ВИЭ[81]. В Испании ветряки дают более 20 % электроэнергии, в Германии – примерно 8 %. Четыре северных федеральных земли в Германии обеспечивают себя ветряным электричеством более чем на 50 %[82]. В Дании в 2013 г. в общей сложности в течение 90 часов ветроэнергетика обеспечивала энергопотребности страны на 100 %, а 28 октября произвела на 22 % больше энергии, чем было потреблено в стране[83]. Совокупная мощность всех сегодняшних мировых ветряных электростанций позволила бы обеспечить светом все домашние хозяйства Европейского союза (506 млн человек)[84].
Крупнейшей ветряной электростанцией в мире считается «Ганьсу» (Gansu Wind Farm), расположенная в одноименной провинции на северо-востоке Китая. На сегодняшний день установленная мощность фермы превышает 6 ГВт, а к 2020 г., в котором планируется завершить строительство, мощность должна достичь 20 ГВт. Такие технические данные существенно превышают «типичные» характеристики углеводородных, да и атомных электростанций.
Самая большая морская ветряная ферма, состоящая из 175 ветряных турбин, находится в Великобритании. Мощность London Array составляет 0,63 ГВт. Также в британских водах запланировано строительство нового морского рекордсмена. Проект шельфовой электростанции Dogger Bank Creyke Beck в 80 милях от побережья Йоркшира предусматривает установку на площади 430 квадратных миль примерно 400 турбин общей мощностью 2,4 ГВт, которые будут производить электричество в количестве достаточном для обеспечения 2 млн индивидуальных жилых домов[85].
Россия, к сожалению, выпала из мирового тренда развития ветроэнергетики. Крупнейшая российская ветряная электростанция мощностью 5,1 МВт, расположенная в Калининградской области (введена в 2002 г.), была подарена правительством Дании. Она состоит из ветроэнергетических установок датской компании Vestas мощностью 225 кВт. В начале нынешнего тысячелетия делались попытки осуществлять более масштабные проекты в ветроэнергетике в РФ, была разработана Программа развития ветроэнергетики РАО «ЕЭС России». Тем не менее до сегодняшнего дня сколько-нибудь значимых проектов в российской ветроэнергетике реализовано не было, и даже принятые меры поддержки ВИЭ в этой отрасли буксуют. Кроме того, отечественные производители сегодня способны выпускать лишь ветряные установки малой мощности, оборудование для современной промышленной ветрогенерации в России не производится.
Коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) в ветроэнергетике сильно зависит от качества технологий и природных условий и колеблется в пределах 15–50 %. В материковой ветроэнергетике среднее значение КИУМ составляет 24 %, в морской – 41 %. Последняя цифра сопоставима со средними показателями существующих сегодня энергосистем[86]. Время энергетической окупаемости (energy pay-back) ветряной турбины – отрезок времени, в течение которого энергетические затраты на производство, доставку и установку ветроэнергетической установки покрываются выработанной энергией, – составляет сегодня три – восемь месяцев в зависимости от модели, условий установки и эксплуатации[87]. Вопреки обывательскому скептицизму, говорящему, что «эта штука никогда не окупится», срок энергетической окупаемости ветряной установки весьма невелик. Большую часть времени своего жизненного цикла она вырабатывает энергию для других.
Ветроэнергетика не оказывает существенных негативных побочных воздействий на окружающую среду (особенно забавно слышать упреки в экологическом вреде ветряков из уст представителей атомной энергетики). При этом регулярно проводятся и публикуются исследования, касающиеся влияния ветроэнергетики на окружающую среду и находящиеся в открытом доступе. Например, «Взаимодействие ветряной турбины с окружающей средой и ее обитателями»[88]. Пожалуй, главной справедливой претензией является «нарушение традиционного природного ландшафта». Шум самой мощной ветряной турбины абсолютно не слышен человеком на расстоянии полтора километра, поэтому существуют (а там, где их нет, должны существовать) нормы по удаленности ветряных электростанций от жилых зданий. А вот проблем с червяками и птицами ни одно серьезное исследование не обнаружило. Разумеется, фиксируются случаи гибели птиц и летучих мышей от столкновения с ветряными турбинами. В то же время количество таких несчастных случаев ниже, чем в результате других видов человеческой деятельности. Коты, линии электропередач, высотные здания, окна и вышки связи убивают на несколько порядков больше птиц, чем ветряные турбины. И земля между турбинами пригодна для сельскохозяйственного использования.
Будущее ветроэнергетики
Как будет развиваться ветроэнергетика дальше? Выше головы прыгнуть трудно, и закон Беца пока никто не опроверг. Поэтому дальнейшее повышение эффективности ветроэнергетических установок имеет естественные границы, хотя простор для роста все еще есть. Очевидно, что ветрогенераторы будут и дальше увеличиваться в размерах. О гигантских «ветряных двигателях» прозорливо писал еще в 1899 г. фантаст Герберт Уэллс в романе «Когда спящий проснется». Сегодня специалисты уже прогнозируют 180-метровые мачты и роторы диаметром 250 м – размер имеет значение с точки зрения удельных эксплуатационных и капитальных затрат.
При этом важно иметь в виду, что вырабатываемая с помощью ветра (onshore) электроэнергия уже является конкурентоспособной по цене. Актуальные рыночные исследования, на которые мы ссылались ранее и которым уделим особое внимание в главе об экономике ВИЭ, подтверждают исключительную ценовую «демократичность» ветроэнергетики.
Ожидается ускорение роста морской (шельфовой) ветроэнергетики, которая важна для Европы, поскольку не занимает драгоценную площадь на суше. Ее ценовая конкурентоспособность будет достигнута в 2023 г., полагают исследователи из EY[89]. К 2050 г. на ее долю будет приходиться 25 % глобальных мощностей ветроэнергетики.
Принимая во внимание растущую экономическую привлекательность энергии из ветра в сочетании с практически неограниченными ветроэнергетическими ресурсами планеты, теоретически возможно снабжение всего человечества электроэнергией, полностью произведенной только на основе ветра. Исследование Гарвардского университета, основанное на весьма консервативных допущениях, показывает, что потенциал ветроэнергетики примерно в 40 раз превышает глобальное потребление электричества[90].
Нестабильность генерации, обусловленная природными факторами, требует, в случае существенного повышения доли ветроэнергетики в энергетическом балансе, создания соответствующих выравнивающих и аккумулирующих инструментов, обеспечивающих стабильность электроснабжения. В любом случае система с большой долей нестабильной генерации, такой как ветроэнергетика, требует в настоящее время наличия резервных электростанций (например, гидроаккумулирующих и газовых пиковых) для сглаживания неравномерности генерации.
В то же время многочисленные научные и отраслевые исследования не обнаруживают значимых препятствий для «поглощения» имеющимися сегодня электрическими сетями 30 % или даже более высокой доли переменчивой генерации на основе ВИЭ[91].
Среднегодовой темп роста мощностей мировой ветроэнергетики начиная с 2009 г. составляет 21,4 % в год, а за последнее десятилетие ее установленная мощность выросла в восемь раз[92]. Предположительно к 2020 г. она возрастет до 1000 ГВт[93] (это, для сравнения, более чем в четыре раза превосходит установленную мощность всех электростанций России).
Обобщение различных прогнозов и сценариев развития энергетических рынков и ветряного сегмента возобновляемой энергетики показывает интервал от 7 до 30,6 % – такую долю в мировом производстве электричества может занять ветроэнергетика к 2050 г.[94] При этом во многих технологически развитых странах доля ветроэнергетики может приближаться к верхней границе указанного интервала или даже превосходить ее. Дания, как мы видели, уже производит порядка 40 % электричества посредством энергии ветра, а по мнению министерства энергетики США в 2050 г. ветроэнергетика может вырабатывать 35 % американской электроэнергии[95]. Здесь, как и в других сегментах возобновляемой энергетики, дальнейшее развитие во многом будет зависеть от совершенствования технологий и развития сравнительных экономических преимуществ.
Биоэнергетика
Я не понимаю, чем вы будете топить. Газа вы не хотите, атомную энергетику не развиваете. …Дровами, что ли?
Биоэнергетика – выработка тепловой и электрической энергии на основе быстро возобновляемого органического сырья (биомассы). Биомассу называют накопленной солнечной энергией, подразумевая решающую роль солнца в образовании органических веществ.
Старейшим примером биоэнергетики (да и энергетики вообще) является сжигание дров для обогрева и приготовления пищи. Когда вы готовите шашлыки на дачном мангале, вы в общем-то тоже участвуете в биоэнергетическом процессе. Для обозначения такого способа выработки энергии, являющегося по нынешним критериям не самым эффективным и экологически чистым, используется термин «традиционная биомасса». Специалисты разделяют «традиционную биомассу» (traditional biomass) и «современную биомассу» (modern biomass) для того, чтобы отличать, в том числе и для целей статистики, возникшие недавно эффективные формы биоэнергетики от известного с начала времен использования растительного сырья для разведения огня. Традиционная биомасса покрывает сегодня 9 % мирового потребления энергии. Столь внушительная доля обусловлена тем, что порядка 2,6 млрд жителей Земли не имеют доступа к современным благам цивилизации и используют «подручное» сырье растительного происхождения для обогрева и приготовления пищи.
Хотя вездесущая статистика учитывает любые формы и подвиды использования биомассы, нас больше интересуют современные виды биоэнергетики, нежели разведение костров. Поэтому основное внимание мы уделим здесь именно современным способам освоения биологических источников, создающим конкуренцию углеводородам.
Совершенствование техники извлечения энергии из биомассы, повышение КПД энергоустановок, а также учет экологических факторов для снижения негативных последствий для экосистемы являются отличительными признаками современной, «новой» биоэнергетики, основными источниками которой являются:
1. Твердое топливо – древесина, древесные гранулы (пеллеты), производимые из отходов деревообработки и используемые для выработки тепла и электроэнергии.
2. Биогаз, получаемый из биологических отходов, специально выращиваемых «энергетических растений» (рапс, кукуруза), силоса, навоза, птичьего помета и т. п.
3. Жидкое биотопливо (спирт, биодизель), производимое из сахарного тростника, кукурузы, сои, сахарной свеклы, пальмового масла и т. п.
Разнообразие источников биологической энергии и современных методов их переработки позволяет применять биологическое возобновляемое сырье практически во всех сферах жизнеобеспечения: в производстве тепла, электроэнергии, транспортного топлива.
В отличие от солнечной и ветряной генерации выработка энергии из биологических источников является процессом, полностью контролируемым человеком. В этом плане биоэнергетика сходна с энергетикой традиционной. Технологический процесс производства энергии из возобновляемого органического сырья также почти не отличается от процессов газовой или угольной генерации. По сути биоэнергетика отличается от традиционной углеводородной энергетики только видом используемого сырья.
Возобновляемое растительное сырье обеспечило в 2013 г. 10 % мирового предложения первичной энергии – примерно 56,6 ЭДж (эксаджоулей)[96]. На «традиционную биомассу» в этой величине приходится 60 %. Доля «современной биомассы» складывается из 13 ЭДж, направляемых на цели отопления, и по 5 ЭДж используется для производства электроэнергии и биотоплива.
Таким образом, «современная биомасса» используется в первую очередь для производства тепловой энергии: 296 ГВт – совокупная мощность тепловой (био) генерации в мире[97]. Установленная мощность электрической генерации в мировой биоэнергетике в 2013 г. составила 88 ГВт с годовой выработкой 396 ТВт · ч. Прогноз роста к 2020 г. – 133 ГВт (615 ТВт · ч в год)[98]. Жидкое биотопливо покрывает 2,7 % потребностей мирового транспорта (2013 г.).
Твердое топливо
Вернемся к словам нашего президента, вынесенным в эпиграф данной главы. Да, современные европейцы и североамериканцы все больше топят «дровами», и древесное топливо занимает все большую долю в топливно-энергетическом балансе экономически развитых стран. Можно сказать, мы являемся свидетелями ренессанса печного отопления на более высоком технологическом уровне. Достаточно бросить взгляд на впечатляющие статистические данные производства и потребления древесных гранул (пеллет).
Если в 2000 г. их производство в Европе и Северной Америке составило 1,5 млн т, то в 2011 г. уже 16 млн т[99]. Другой источник сообщает нам, что в Европейском союзе в 2013 г. было потреблено 15 млн т пеллет (с годовым ростом 1 млн т, начиная с 2010 г.)[100].
Поделиться книгой: