Мировая энергетическая революция. Как возобновляемые источники энергии изменят наш мир

Сегодня в Европе древесное отопление конкурирует с остальными способами теплоснабжения (явно превосходя, например, дизельное отопление). При этом, однако, картина его распространения по странам неоднородна. Так, в Австрии на человека приходится 50–60 кг пеллет в год, в Германии – 11 кг[101]. При организации отопления в новостройках пеллетное отопление выбирается в Австрии в 35 % случаев, в Германии – в 6 %. В Швеции биоэнергетика, преимущественно древесное сырье, обеспечивает функционирование более половины отопительных мощностей. Сюда относятся и индивидуальные пеллетные котлы, и крупные тепловые станции систем центрального отопления[102]. В Германии, Австрии и Италии пеллеты используются главным образом для отопления и горячего водоснабжения жилых домов (в год в Европе продается примерно 300 000 индивидуальных пеллетных котлов), в Великобритании, Нидерландах и Бельгии – для промышленной выработки электроэнергии. В Швеции и Дании развиты оба этих сегмента. Древесное топливо является главным источником энергии в Финляндии (обеспечивая примерно 25 % общего потребления), и доля его растет[103].

По данным исследования, проведенного французским Агентством окружающей среды и управления энергией (ADEME), все больше французов выбирает дерево в качестве топлива для своих жилищ. На сегодняшний день примерно 7,4 млн домохозяйств отапливается с помощью древесного сырья. Еще недавно, в 2009 г., их было всего 5,9 млн[104]. Любопытно, но объем сжигаемой древесины при этом не увеличился, поскольку рост энергоэффективности зданий и эффективности теплового оборудования обеспечивают меньшие удельные затраты топлива на обогрев жилищ. И Франция не страдает от истощения своих лесных богатств. Напротив, площадь лесов возрастает: в XX веке она выросла на 6 млн га и в настоящее время составляет 29 % всей территории страны.

Похожая ситуация и в лесном хозяйстве Германии. Несмотря на бум дровяного отопления и доминирующую долю собственного сырья, леса занимают примерно треть территории, а их площадь увеличилась на 0,4 % за последнее десятилетие[105].

В крупной биоэнергетике в качестве топлива используются не только древесные гранулы, но и отходы деревообработки разных видов. Например, в Бельгии в настоящее время реализуется проект крупнейшей в мире теплоэлектростанции (ТЭС) Bee Power Gent, которая будет работать на древесной щепе. Ее электрическая мощность составит 215 МВт, а тепловая – 100 МВт[106]. ТЭС будет вырабатывать примерно 2 % бельгийской электроэнергии и позволит обеспечить электричеством 450 000 домохозяйств.

Кстати, бурное развитие биоэнергетики, основанной на сжигании сырья древесного происхождения, создает хорошие предпосылки для расширения российского экспорта отходов и продуктов из отходов деревообработки. К тому же прогнозируется, что к 2025 г. рынок вырастет примерно в два раза, его размер превысит 50 млн т. В 2013 г. Европа импортировала 6,4 млн т пеллет. При этом доля России составила всего 0,64 млн т, в то время как Канада и США поставили в Европу 2 и 2,8 млн т соответственно[107]. Видимо, отходов российского лесного хозяйства недостаточно для экспорта, поскольку они сжигаются в качестве «порубочных остатков», усугубляя и без того тяжелую экологическую ситуацию, как это происходило в ноябре 2014 г. в Подмосковье…

Любые современные способы выработки энергии на основе древесного топлива предполагают процесс горения с сопутствующим выбросом вредных веществ в атмосферу – оксида азота, оксида углерода, метана, сернистого газа, мелкодисперсной пыли и т. п. Причем удельные объемы этих выбросов зачастую превышают соответствующие показатели газового и дизельного оборудования. Разумеется, здесь многое зависит от уровня и состояния используемой техники, но если сравнить самые современные и эффективные газовые и пеллетные котлы (к слову, КПД их сегодня примерно одинаков), то по «качеству выхлопа» преимущество будет не на стороне последних. Хотя показатели выбросов пеллетных котлов, разумеется, лежат в пределах экологических норм и весьма далеко от их предельных границ, может возникнуть вопрос: действительно ли древесное топливо является альтернативой ископаемому сырью с экологической точки зрения?

Правильный ответ: да, является, и вот почему. Экологичность того или иного вида сырья и топлива определяется не только вредными выбросами, но и более сложными критериями, которые учитывают еще два параметра: происхождение сырья и «климатический баланс» (carbon footprint – углеродный след). Древесное топливо – возобновляемый материал растительного происхождения. Выделяемое при его сжигании количество углекислого газа (CO₂) соответствует объему CO₂, поглощенному деревом в процессе роста. Соответственно, в данном случае принято говорить о нулевом климатическом (или углеродном) балансе или «климатической нейтральности» – вредный выброс скомпенсирован поглощением.

Разумеется, расчет углеродных балансов происходит не столь схематично, а по довольно сложным специальным методикам, которые должны в том числе учитывать временной лаг процессов сжигания топлива и его восстановления, период возмещения выбросов углерода («carbon payback period»). Особо любознательному читателю стоит обратить внимание, например, на GEMIS (Global Emissions Model for Integrated Systems) – компьютерную модель с интегрированной базой данных, позволяющую рассчитывать и сравнивать климатический баланс для разных видов сырья[108].

В соответствии с принятыми в европейских странах правилами расчетов углеродный баланс (удельный выброс углекислого газа) составляет для древесных пеллет 42 г/кВт · ч, в то время как для природного газа – 249, нефтепродуктов – 303, бурого угля – 452 г/кВт · ч[109]. То есть «углеродный след», нагрузка на окружающую среду при сжигании древесных гранул существенно ниже, чем при использовании ископаемого топлива.

Поскольку идеологической основой европейского и мирового «энергетического разворота» является установка на снижение выбросов парниковых газов и стремление к «климатической нейтральности», использование более чистого древесного топлива стимулируется с помощью разнообразных государственных программ. В сочетании с массовой обработкой населения социальной и торговой рекламой это приводит к устойчивому росту спроса на древесное тепло и развитию данного сегмента биоэнергетики в целом.

Биогаз

Биогаз – газ, получаемый брожением биомассы. В природных условиях биогаз образуется постоянно. В современной биоэнергетике естественно-природные процессы его образования поставлены человеком под контроль. Производство биогаза осуществляется на биогазовых станциях с помощью специальных установок. Произведенный биогаз состоит из метана (более 50 %) и углекислого газа, а также незначительного объема примесей (водорода и сероводорода). После очистки биогаза от CO₂ (biogas upgrading) получается биометан – полный аналог природного газа.

В отличие от солнца и ветра биогаз может, как и природный газ, запасаться и обеспечивать непрерывное производство электроэнергии, т. е. выполнять важную задачу энергоснабжения в периоды пиковых нагрузок электросети.

Биогаз может быть использован для электрической и тепловой генерации, заправки автомобилей (в крупных городах Швеции муниципальный автобусный парк заправляется местным биогазом), может закачиваться (после превращения в биометан) в существующие газовые сети и хранилища.

Зачем нужен биогаз, если есть газ природный и инфраструктура для его доставки?

Во-первых, биогаз производится из биомассы, возобновляемого растительного сырья – его производство и использование оставляет меньший углеродный след.

Во-вторых, при производстве биогаза могут (и должны) использоваться отходы сельскохозяйственного производства, что предотвращает загрязнение окружающей среды и повышает его эффективность.

В последние годы европейская биогазовая индустрия демонстрирует двузначные темпы роста. Производство электроэнергии из биогаза составило в ЕС в 2012 г. 46 419 ГВт · ч, в 2013 г. – 52 327 ГВт · ч (для сравнения: такое количество энергии примерно соответствует годовому электропотреблению Португалии). Больше половины европейского производства приходилось на Германию[110], в которой расположено 8700 биогазовых станций[111].

Мировым лидером по производству биогаза считается Китай[112], но здесь отмечается интересный феномен. Подавляющая часть китайского биогаза производится сельскими домашними хозяйствами для собственного потребления – отопления, приготовления пищи и даже, в некоторых случаях, производства электричества. Таких домашних биогазовых станций насчитывается 41 млн[113], и ожидается, что к 2020 г. их число достигнет 80 млн при активной государственной поддержке.

В производстве биогаза наиболее желательным с точки зрения экологии является использование отходов животноводства и птицеводства. Эти отрасли генерируют большие объемы жидких и твердых отходов, утилизация которых должна предваряться особо тщательной обработкой. В странах со слабым экологическим контролем, к которым относится и Россия, отходы животноводства могут отравлять почву и водоемы. Использование этих отходов для производства биогаза с последующей генерацией тепла и электроэнергии фактически является беспроигрышной стратегией. С одной стороны, в значительной мере снимается проблема загрязнения окружающей среды, с другой стороны, хозяйства и их окружение обеспечиваются «дармовой» энергией.

Однако данный разумный подход к биогазовой энергетике сталкивается, так сказать, с экономической реальностью. Дело в том, что производить биогаз из отходов животноводства дороже, чем из специально выращиваемых «энергетических растений», – необходима более сложная обработка исходного сырья с соответствующими дополнительными капитальными затратами.

С этой экономической реальностью жестко столкнулась Германия. Непродуманная политика стимулирования биогазового бизнеса способствовала не переработке отходов сельского хозяйства, а ориентации биоэнергетики на усиленную культивацию энергетических растений (в первую очередь кукурузы) на сельскохозяйственных землях для последующего производства электроэнергии, привела к массовому строительству биогазовых электростанций даже в природоохранных зонах. Площадь посевов кукурузы, используемой в биоэнергетике, за последнее десятилетие удвоилась, главным образом за счет других культур[114].

В 2014 г. германская политика в области биогаза подверглась серьезной корректировке. 1 августа вступила в силу новая редакция Закона о возобновляемых источниках энергии (EEG), в соответствии с которой дальнейшее развитие биогазовой энергетики должно основываться на переработке отходов, а не использовании специально выращиваемых энергетических культур. Ужесточение выразилось также в снижении зеленых тарифов и финансовых мерах, ограничивающих строительство крупных биогазовых электростанций. Аналогичные меры рассматриваются в настоящее время и в масштабах Европейского союза.

Таким образом, дальнейшая судьба биогазовой отрасли в Европе во многом выглядит неопределенной. Можно с достаточной долей уверенности предполагать, что сокращения существующих мощностей не будет, но вот темпы дальнейшего расширения предугадать сложно. Впрочем, существующие официальные европейские планы расширения (National Renewable Energy Actions Plans) пока никто не отменял. Они предусматривают объем биогазовой электрической генерации к 2020 г. на уровне 65 000 ГВт · ч (среднегодовой прирост 1,85 ГВт · ч)[115]. Для производства такого количества энергии необходимо 28 млн кубометров биогаза (эквивалента природного газа), что составляет 5 % европейского потребления природного газа.

При этом следует также учитывать, что такие крупные экономики с развитым сельским хозяйством, как Франция и Испания, имеют сегодня крайне низкую степень распространения биогазового бизнеса. Так, Франция по итогам 2013 г. уступает в производстве биогаза Италии в четыре раза, Германии – в 14 с лишним раз. Это является фактором, повышающим вероятность достижения заявленных целей роста.

Жидкое биотопливо

В отличие от других возобновляемых источников энергии биомасса может преобразовываться непосредственно в жидкое топливо, пригодное для использования на транспорте.

Как отмечалось выше, жидкое биотопливо (спирт-биоэтанол и биодизель) обеспечивают сегодня 2,7 % мировых потребностей транспорта. По данным Международного энергетического агентства, «к 2050 г. биотопливо может обеспечивать 27 % потребления транспортного топлива, способствуя замещению дизеля, керосина и авиационного топлива. Прогнозируемый объем использования биотоплива позволит сократить выбросы CO₂ на 2,1 Гт в год в том случае, если топливо будет производится экологически устойчивым способом»[116].

На мой взгляд, ценность столь долгосрочного прогноза не слишком велика. В настоящее время мир переживает бурный рост электротранспорта и появление в массовой продаже автомобилей на топливных элементах. Поэтому судьба двигателя внутреннего сгорания и топлива для него будет во многом зависеть от развития данных сегментов транспортного рынка.

Мировыми лидерами в производстве и использовании биоэтанола являются США и Бразилия, в производстве биодизеля лидирует Европейский союз (примерно 53 % мирового производства).

Этанол в основном используется как добавка к бензину для увеличения октанового числа и сокращения выбросов угарного газа и прочих вредных веществ. Некоторые современные транспортные средства, называемые «мультитопливными автомобилями», способны ездить на топливе с довольно большой долей эталона. Например, топливо марки Е 85 содержит 85 % этанола и только 15 % бензина. В Бразилии, одном из главных потребителей биоэтанола, производятся десятки моделей транспортных средств, использующих в качестве топлива смесь с большой долей спирта.

Биодизель производится путем смешивания спирта (как правило, метанола) с растительным маслом или животным жиром. Он может использоваться в качестве добавки (обычно 20 %) к обычному дизельному топливу или в чистом виде в качестве возобновляемого альтернативного топлива для дизельных двигателей. Помимо автотранспорта ведутся активные эксперименты по применению биодизеля в авиации.

Ценность биотоплива как ресурса, замещающего традиционное углеводородное сырье, сомнительна. Во-первых, биотопливо не отличается высокой энергетической окупаемостью. «Для производства одного галлона этанола требуется использовать больше одного галлона ископаемого топлива, на 29 % больше. Это происходит потому, что нужно затратить огромное количество энергии для выращивания зерна (в том числе на удобрения и орошение), его транспортировку, а затем для превращения его в этанол»[117].

Во-вторых, производство биотоплива часто связано с негативными экологическими последствиями. Например, в Юго-Восточной Азии (Индонезия, Малайзия) вырубаются массивы джунглей для культивации масличной пальмы, что нарушает природный баланс и не только не сокращает, но даже может увеличивать глобальные выбросы парниковых газов, поскольку земли зачастую расчищаются с помощью огня.

Подведем итоги. Современная биоэнергетика – самый «спорный» вид возобновляемой энергетики – в прошедшее десятилетие демонстрировала бурный рост в глобальном масштабе. Ее технологии апробированы и эффективны.

Нет сомнений, что биоэнергетика постепенно расширяет свою долю в энергетическом пироге и теснит традиционные энергоносители. Всемирная ассоциация биоэнергетики заявляет, что «мировой потенциал биоэнергетики достаточен для удовлетворения глобальной потребности в энергии в 2050 г.»[118]. По моему мнению, доля биоэнергетики вряд ли станет столь значительной, но на 10–20 % мирового энергетического рынка претендовать она может. Международное энергетическое агентство предполагает, что к 2050 г. биоэнергетика будет обеспечивать 7,5 % мирового производства электричества и 15 % тепловой энергии, а в сегменте зданий будет покрывать до 20 % потребности в тепле[119].

В отдельных странах Европы, обладающих значительными биоресурсами и усиленно развивающих биогазовые технологии, выработка тепла и электроэнергии на основе биомассы может занять лидирующее место в теплоэнергетике уже в ближайшие годы, что окажет непосредственное влияние на перспективы экспорта российского газа в западном направлении.

Биоэнергетика будет играть важную роль в системах децентрализованного, локального электро– и теплоснабжения, вплоть до полного обеспечения энергией сельскохозяйственных производств и прилегающих к ним населенных пунктов.

Современная биоэнергетика будет (и должна) являться важным дополнением сельскохозяйственного производства. Переработка отходов, в первую очередь животноводства, но также и растениеводства способствует 1) решению природоохранных задач и 2) обеспечению сельского хозяйства энергоресурсами.

В то же время чрезмерное «увлечение» производством топлива из биологического возобновляемого сырья может приводить к отрицательным последствиям для окружающей среды и конкуренции с сельскохозяйственным производством продуктов питания.

Таким образом, стимулирование развития биоэнергетики требует «точной настройки», умного государственного регулирования и должно осуществляться только в такой мере, в какой она не начинает угрожать экологии и конкурировать за площади с сельским хозяйством.

Геотермальная энергетика и тепловые насосы

Наша Земля содержит в своих глубинах тепловую энергию, которую в пересчете на физические единицы можно оценить в 1031 джоулей, что в 100 млрд раз превышает годовое потребление энергии человечеством. Собственно, на освоение крошечной части этого гигантского потенциала и работает геотермальная энергетика.

Геотермальные энергетические ресурсы практически бесконечны и неисчерпаемы. Тем не менее возможности их использования зависят как от географического положения наиболее удобных для освоения мест, так и уровня развития технологий, позволяющих извлекать энергию Земли с оправдывающими себя финансовыми затратами.

Геотермальную энергетику разделяют на гидротермальную, использующую тепло теплых поземных вод, источников, пара, и петротермальную, добывающую энергию из не жидкой подземной среды. Очевидно, что потенциал петротермального направления на порядки выше, поскольку горячие источники и подземные воды обнаруживаются на Земле точечно, а высокая температура глубин Земли существует везде – это естественная характеристика нашей планеты. В то же время с технико-экономической точки зрения извлечение энергии из сухих пород сложнее и дороже.

Тепло Земли используется как напрямую для отопления и горячего водоснабжения с помощью геотермальных источников, так и для производства электроэнергии и тепла путем преобразования тепловых ресурсов Земли с помощью специального оборудования. Для выработки электроэнергии требуется высокая, превышающая 100 °С, температура теплоисточника.

Геотермальные электростанции

Принцип работы геотермальной электростанции (ГеоЭС) практически ничем не отличается от принципа функционирования обычной тепловой электростанции (ТЭС). Различие состоит в первичном источнике энергии, которым в случае ТЭС является углеводородное топливо (мазут, уголь, газ), преобразующее воду в пар, который необходим для вращения турбины и производства электроэнергии. ГеоЭС получает пар из недр Земли в готовом виде, первичным (и возобновляемым) источником энергии здесь является тепло нашей планеты.

На прямое использование тепла недр сегодня приходится большая доля геотермальной энергетики (91 ТВт · ч). В этом направлении доминирует Китай (45 ТВт · ч в 2011 г.). Производство электричества составило в 2013 г. 76 ТВт · ч. Общий мировой объем генерирующих мощностей оценивается в 12 ГВт, в 2013 г. прирост составил 530 МВт, из которых 241 МВт пришелся на Новую Зеландию[120].

Мировым лидером в геотермальной электроэнергетике являются США с размером установленной мощности 3,4 ГВт, за ними следуют Филиппины (1,9), Индонезия (1,3), Мексика (1,0), Новая Зеландия (0,9), Италия (0,9), Исландия (0,7)[121]. России, увы, в списке лидеров нет, несмотря на богатые легкодоступные геотермальные ресурсы Камчатского края, Курильских островов и Кавказа. Наша страна располагает установленной мощностью 0,08 ГВт[122], немного уступая по этому показателю Никарагуа.

Лидером по доле геотермальной энергетики в национальной экономике, безусловно, является Исландия, славящаяся своими геотермальными источниками. «В Исландии в настоящее время более 60 % всей потребляемой энергии берут из Земли. В том числе за счет геотермальных источников обеспечивается 90 % отопления и 30 % выработки электроэнергии. Добавим, что остальная часть электроэнергии в стране производится на ГЭС, т. е. также с использованием возобновляемого источника энергии, благодаря чему Исландия служит своего рода мировым экологическим эталоном»[123].

Является ли геотермальная энергетика экологически чистой? Как и в любом ином виде человеческой деятельности, здесь многое зависит от используемых подходов и технологий.

Геотермальные водные ресурсы могут содержать целый набор газов, в частности двуокись углерода (CO₂), сероводород (H2S), метан (CH4) и аммиак (NH3). В случае извлечения подземных жидкостей могут происходить выбросы данных веществ, способствующих загрязнению окружающей среды, кислотным дождям и т. п. Тем не менее существующие геотермальные электростанции характеризуются умеренным уровнем выбросов, составляющим в среднем в среднем 122 кг CO₂ на мегаватт-час электроэнергии, что существенно ниже выбросов генерации на ископаемом топливе[124].

В дополнение к газам горячая вода из геотермальных источников может содержать такие токсичные элементы, как ртуть, мышьяк и бор. Эти химические вещества загрязняют окружающую среду, если после отработки использованные жидкости сливаются в грунт или водоемы. Современная практика геотермальной энергетики предусматривает закачку охлажденной геотермальной жидкости обратно в исходный водоносный горизонт, исключая ее контакт с окружающей средой. Данная технология реализуется и в России, в частности на Верхне-Мутновской ГеоЭС на Камчатке[125].

Добыча термальной воды (впрочем, как и обычной) может вызывать просадку или подвижки грунта, а чрезмерно активное использование геотермальных ресурсов с использованием технологий гидроразрыва пласта может даже провоцировать землетрясения. Например, в швейцарском Базеле геотермальный проект с участием городских властей был остановлен после того, как в результате закачки (инъекций) воды специалисты зафиксировали в течение первых шести дней более 10 000 (!) подземных толчков, сила которых достигала 3,4 балла по шкале Рихтера[126].

Таким образом, геотермальная энергетика не лишена экологических рисков, однако их уровень в целом ниже, чем у традиционной углеводородной энергетики.

Как следует из приведенных выше данных о распространении геотермальной энергетики, она занимает в мировой электрической генерации крошечную долю, которая оценивается примерно в 0,3 % выработки электроэнергии на Земле[127]. Хотя по прогнозу Международного энергетического агентства доля геотермальной энергетики будет увеличиваться и составит к 2050 г. 3,5 % мирового производства электричества, ее значение останется невысоким[128]. Поэтому создается впечатление, что с этой стороны угроза сырьевой власти отсутствует.

Тепловые насосы

Однако это не совсем так. В экономически развитых странах технологии использования тепла окружающей среды и грунта создают серьезную конкуренцию традиционным источникам тепловой энергии, а тепло – это почти половина мирового потребления энергии[129]. Речь идет об использовании воздушных и геотермальных (грунтовых) тепловых насосов, которые прочно завоевали видное место на европейском и североамериканском рынке отопительного оборудования.

Тепловой насос по своей сути и принципу работы не отличается от обычного бытового холодильника и состоит из тех же самых компонентов (компрессора, испарителя, конденсатора, расширительного клапана). Отличается лишь направленность работы. Холодильник производит холод (понижает температуру) и отдает тепло в помещение, тепловой насос отбирает тепло у окружающей среды (воды, грунта, воздуха) и использует его для повышения температуры. Например, грунтовой тепловой насос преобразует тепло грунта, который на глубине нескольких метров круглогодично имеет постоянную плюсовую температуру, в более высокую температуру теплоносителя.

Тепловой насос, как и холодильник, работает «от розетки», т. е. потребляет электроэнергию для извлечения тепла окружающей среды. При этом на единицу потребленной электроэнергии он способен выдавать до пяти единиц тепловой энергии (отношение полученной и затраченной энергии называется коэффициентом эффективности, по-английски coefficient of performance – COP). Поэтому данное оборудование считается экологичной и эффективной альтернативой традиционному отоплению на основе углеводородного топлива, годной к применению практически повсеместно (за исключением, пожалуй, регионов вечной мерзлоты). Иными словами, генерируемая тепловая энергия до 80 % является возобновляемой. Если же работа теплового насоса обеспечивается электроэнергией из возобновляемых источников, а такие схемы активно практикуются на европейском рынке, мы получаем полностью «климатически нейтральное» оборудование с нулевым расходом первичной энергии.

Другим преимуществом теплового насоса (и принципиальным его отличием, скажем, от газового котла) является возможность двусторонней работы – не только на тепло, но и на охлаждение помещений в теплое время года, т. е. способность большинства моделей работать в качестве «холодильника» для помещений.

Развитие техники, повышение эффективности оборудования, рост производства, сопровождающийся снижением цен, привели к росту популярности тепловых насосов у потребителей. Например, в последние годы на их долю стабильно приходится порядка 20 % в отопительном оборудовании в новых домах в Германии (в 2013 г. – 22,5 %), при этом еще совсем недавно, в 2000 г., доля тепловых насосов составляла всего 0,8 %[130]. В Дании, Швеции и Швейцарии тепловые насосы исторически занимают весомую долю на рынке отопительного оборудования.

По мнению Международного энергетического агентства, тепловые насосы будут покрывать 10 % потребностей в энергии на отопление в странах ОЭСР к 2020 г. и 30 % – к 2050 г.[131] При этом к 2050 г. в 50–70 % новых зданий в указанном регионе будут устанавливаться тепловые насосы[132]. В Швейцарской стратегии развития чистых технологий прямо говорится, что «большинство зданий в будущем станут отапливаться с помощью тепловых насосов… Это приведет к сокращению затрат драгоценной энергии на производство тепла на 80 %»[133].

Прогнозы развития рынка тепловых насосов в Европе зачастую в числе целей прямо указывают отказ от российских энергоносителей. Например, установка 54 млн тепловых насосов в Европе в дополнение к 6 млн уже работающих полностью снимет потребность в импорте российского газа, сообщает Европейская ассоциация теплонасосной техники (EHPA). Достижение данного объема к 2030 г. расценивается как вполне реалистичный сценарий[134].

Итак, геотермальная энергетика в целом имеет сегодня ограниченное, локальное применение, ее доля в обеспечении мирового потребления энергии крайне мала и вряд ли существенно вырастет в обозримом будущем (если только не появятся принципиально новые, прорывные технологии).

В то же время в экономически развитых странах происходит бурное распространение тепловых насосов, которые заменяют традиционные способы отопления и горячего водоснабжения на основе углеводородного топлива. Использование дизельного отопления практически сошло на нет, а доля природного газа сокращается. Таким образом, широкое распространение теплонасосной техники в странах, относящихся к числу основных потребителей традиционных сырьевых ресурсов, способствует постепенному сокращению спроса на углеводородное топливо.

Гидроэнергетика

Россия является одним из мировых лидеров возобновляемой энергетики.

Вы не ослышались. Богатые водные ресурсы и их использование для производства электроэнергии ставят Российскую Федерацию в первую десятку стран c наиболее развитой возобновляемой энергетикой, к которой относят и гидроэнергетику, занимающуюся преобразованием энергии текущей воды в электрическую энергию.

Несмотря на гигантские электростанции и огромные плотины, приведшие к созданию настоящих внутренних морей и известные большинству наших соотечественников по теленовостям, курсу истории и географии, Россия довольно скромно использует свой гидроэнергетический потенциал. По установленной мощности гидроэлектростанций (46,7 ГВт) РФ занимает пятое место в мире после Китая (260 ГВт), Бразилии (85,7 ГВт), США (78,4 ГВт) и Канады (76,2 ГВт). Также пятое место мы занимаем по годовой выработке электроэнергии гидроэлектростанциями[135].

Абсолютным мировым лидером по доле гидроэнергетики в энергетическом балансе является «нефтегазовая сверхдержава» Норвегия. Несмотря на сырьевые богатства, 96,7 % электричества производится здесь гидроэлектростанциями[136]. Норвегия стремится торговать на мировом рынке не только углеводородами, но и чистой электроэнергией, реализуя, например, проект по морской прокладке 700-километрового кабеля для экспорта энергии в Великобританию[137].

Энергия воды

Человек использует энергию воды с незапамятных времен. В Древней Индии строились водяные мельницы и водяные колеса, в Римской империи водяные мельницы использовались не только для помола зерна, но и для распиловки дерева и камня. В Китае водяные мельницы были известны еще во времена династии Хань (со II в. до н. э.).

В 1753 г. французский генерал-изобретатель Бернар де Белидор опубликовал Architecture Hydraulique, труд, где описывался принцип работы вертикально– и горизонтально-осевых гидравлических машин, которые впоследствии стали сочетать с электрическим генератором после его разработки в XIX веке. В 1767 г. английский инженер Джон Смитон создал первое водяное колесо из чугуна.

Основы современной гидроэнергетики были заложены еще в первой половине XIX века, когда была разработана и описана водяная турбина. В 1837 г. русский изобретатель Игнатий Сафонов создал первый в России двигатель нового типа, водяную турбину. Она имела КПД 0,53, который впоследствии увеличили до 0,70 в промышленных образцах. Одновременно с Сафоновым разработку вел французский инженер Фурнерон, представивший в 1834 г. первый работающий образец своей водяной турбины.

В 1848 г. переехавший в США британский инженер Джеймс Френсис усовершенствовал гидравлическую машину, создав радиально-осевую «турбину Френсиса». Его математические методы расчета и чертежи позволили конструировать высокоэффективные турбины с учетом конкретных условий водяного потока. Турбина Френсиса и сейчас является самым распространенным типом гидротурбин.

Считается, что впервые энергия воды для производства электричества была использована английским промышленником Уильямом Армстронгом в 1878 г. Электростанция служила для питания единственной электродуговой лампы в его художественной галерее.

Первая «полноценная» электростанция была запущена в 1882 г. на Фокс-Ривер в городе Эплтон, штат Висконсин, США. К 1886 г. в США и Канаде работало уже 45 гидроэлектростанций. Стремительное развитие промышленности в сочетании с переходом на электрическое освещение на рубеже веков обусловили бум в гидроэнергетике. В 1889 г. число ГЭС в Северной Америке увеличилось до 200. Первая гидроэлектростанция в России была открыта в 1892 г.

Несмотря на то что гидроэнергетика общепризнанно рассматривается в качестве важного средства, обеспечивающего экономическое развитие без загрязнения атмосферы выбросами углекислого газа, пик ее значимости для мирового энергоснабжения пройден уже давно. Привязка к географическому положению и соответствующее постепенное исчерпание гидроэнергетического потенциала, необходимость в большинстве случаев вывода из оборота земель и переселения жителей, сложность проектирования (географические и геологические условия в каждом случае уникальны), масштабные риски проектных и строительных ошибок, длительные сроки строительства – эти обстоятельства привели к уменьшению доли ГЭС в пользу других форм энергетики (тепловой и атомной).

Если в 1920–1940-х гг. гидроэнергетика обеспечивала до 40 % производства электроэнергии в США, то в настоящее время ее доля составляет 6–8 %[138]. В 1973 г. на гидроэнергетику приходилось 20,9 % мирового производства электричества, в 2012 г. – 16,2 %[139]. В России гидроэлектростанции вырабатывают в настоящее время 16–18 % производимой в стране электроэнергии, что примерно соответствует общемировому уровню.

Гидроэнергетика важна не только для производства электроэнергии. Особый подвид ГЭС – гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) – выполняет важную функцию покрытия пиковых нагрузок электрической сети и ее стабилизации, о чем будет рассказано дальше в главе «Нестабильность ВИЭ и системы хранения энергии».

Издержки гидроэнергетики

Большая гидроэнергетика отличается высокой капиталоемкостью. Достаточно сложно и вряд ли целесообразно высчитывать среднемировой размер удельных капитальных затрат при возведении ГЭС, поскольку каждое строительство характеризуется своими уникальными географическими и технологическими условиями. При этом очевидно, что создание крупных плотин связано с колоссальными финансовыми и временными издержками (интересно, смог бы кто-нибудь подсчитать удельные капитальные затраты на сооружение, например, отечественной Бурейской ГЭС, которая строилась с 1976 по 2003 г.).

Данные Международного агентства по возобновляемой энергии (IRENA) дают большой разброс удельных капитальных затрат на строительство крупных гидроэлектростанций: $1050–7650 на киловатт установленной мощности[140]. Министерство энергетики США приводит показатель $2963 на киловатт[141] (для условной станции мощностью 0,5 ГВт). В России «считается, что удельные капитальные вложения в генерирующие мощности для крупных ГЭС в 1,5–2 раза выше, чем для тепловых угольных станций»[142]. При этом последующая эксплуатация ГЭС и выработка энергии не связана с использованием углеводородного топлива, соответственно, себестоимость электроэнергии и приведенная стоимость производства электричества (LCOE) с учетом длительного срока службы станций находятся на достаточно низком уровне. Упомянутое выше исследование IRENA приводит также достаточно широкий интервал затрат $0,02–0,19 на произведенный киловатт-час.

Несмотря на возобновляемую природу, большая гидроэнергетика является довольно опасным занятием. Как, впрочем, любое крупное вмешательство человека в окружающую среду в попытке подчинить себе силы и энергию природы. Еще свежа в памяти страшная катастрофа на Саяно-Шушенской ГЭС, унесшая жизнь 75 человек. Но крупнейшей техногенной катастрофой является до сих пор прорыв дамбы Баньцяо в 1975 г. в Китае, количество жертв которой составило 171 000 человек[143].

Кроме того, строительство крупных гидроэлектростанций во многих случаях влечет за собой значительные, но трудноизмеримые негативные экологические и социальные последствия. Достаточно легко подсчитать количество CO₂, не попавшего в атмосферу в результате работы ГЭС, но весьма сложно оценить издержки экосистемы в целом.

После наполнения в 40-х гг. прошлого века чаши Рыбинского, крупнейшего на то время в мире, искусственного водохранилища ушла под воду и была изъята из хозяйственного оборота восьмая часть ярославской земли, в том числе 80 000 га лучших в Поволжье пойменных заливных лугов, травы которых по своему качеству не уступали травам с альпийских лугов, более 70 000 га веками возделываемой пашни, более 30 000 га высокопродуктивных пастбищ, более 250 000 га грибных и ягодных лесов[144]. В прибрежной зоне изменился микроклимат – увеличилась сила и повторяемость ветров, весной водохранилище оказывает охлаждающее воздействие, осенью – отепляющее; вегетационный период сократился на 4–5 дней[145].

При строительстве водохранилища пришлось переселить 130 000 человек, были затоплены сотни населенных пунктов, самым известных из которых являлся древний город Молога. Вместе с ним на дно искусственного моря погрузились многочисленные храмы, монастыри, памятники истории и культуры.

Крупнейшее в истории «переселение народов» в связи со строительством ГЭС произошло в Китае при возведении самой большой в мире электростанции «Три ущелья» (установленная мощность: 22,5 ГВт, строительство завершено в 2012 г.). Оно затронуло более 1,2 млн человек.

Таким образом, низкая себестоимость электричества, вырабатываемого ГЭС, имеет, простите за тавтологию, свою, и порой высокую, цену. «Большинство экологических и социальных ущербов от существования ГЭС не учитываются в цене гидроэнергии. В капитальные затраты в лучшем случае входит стоимость лесосведения, компенсационные платежи за отчуждение земель, затраты на охрану окружающей среды, подсчитанные по существующим нормативам. Последние колоссально занижены, да и экологический ущерб не сводится только к потере пастбища или поля. Уменьшение площади лесов, степей и прочих природных ресурсов является невосполнимой утратой, поскольку они теряются навсегда. Как оценить их потерю или изменение климата?»[146]

Во многом по данной причине для целей классификации принято разделять крупную гидроэнергетику, связанную с масштабной «переделкой» окружающего пространства, и ее малый подвид (small hydropower). По российской классификации к малой гидроэнергетике относятся электростанции с установленной мощностью не более 30 МВт (ГОСТ Р 51238-98). Кстати, именно малая гидроэнергетика попадает у нас в категорию возобновляемой (для целей программ государственной поддержки возобновляемой энергетики). Это в общем-то оправданно и с экологической точки зрения, поскольку малые ГЭС, очевидно, разрушают окружающую среду в меньшей степени.

Как будет развиваться гидроэнергетика в дальнейшем? Она станет расти, в особенности при ужесточении международной политики, направленной на сокращение выбросов парниковых газов. Тем не менее мы не ждем здесь бурного роста, в том числе и по естественным причинам. Многие страны близки к исчерпанию своего гидроэнергетического потенциала. В Швейцарии он использован почти на 90 %, в Норвегии и Канаде – на 70 %. Лишь богатая водными ресурсами Россия задействует свой потенциал всего на 20 % возможностей. Таким образом, несмотря на то что доля гидроэнергетики в мировом производстве электричества сокращаться не будет, ее дальнейшее развитие само по себе не окажет существенного влияния на сырьевые рынки.

Транспорт без нефти

Транспорт является основным потребителем нефти. В 1973 г. в данном секторе было сожжено 45,4 % добытого мирового черного золота, а в 2012 г. его доля составила уже 63,7 %[147]. Электроэнергетика – второстепенный рынок для нефти. Поэтому распространение возобновляемой энергетики вроде бы не является для нефтяных рынков существенной угрозой. Проблемы приходят к нефтяникам с другой стороны.