Мировая энергетическая революция. Как возобновляемые источники энергии изменят наш мир Сидорович Владимир

Минувшее столетие человеческой истории прошло под знаком углеводородов – ископаемого сырья. Электрический свет, автомобильный транспорт, теплый дом, авиация и многие другие воспринимаемые нами как естественные и обычные жизненные блага появились благодаря тому, что человек научился извлекать энергию из природных ресурсов с высоким энергетическим содержанием (угля, нефти, природного газа). С ее помощью люди преобразовали Землю до неузнаваемости и создали для определенной части человечества современное «общество всеобщего благоденствия».

Почти вся энергия, используемая сегодня на Земле, берет свое начало в недрах планеты. Неудивительно, что обладание ископаемыми ресурсами, умение их извлекать и обрабатывать дает практически неограниченную земную власть. Кто владеет энергией – тот владеет миром. Эта власть назначает и смещает президентов, покупает политиков, ведет войны.

И вот на наших глазах разворачивается мировая драма: энергия, производимая на основе возобновляемых источников, с каждым днем все больше теснит сырьевую власть, сокращая сферу приложения углеводородов.

Еще вчера возобновляемые источники энергии (ВИЭ) практически не использовались, солнце светило, ветер дул, а человек лишь изредка «препарировал» их в научных лабораториях и применял на космических орбитальных станциях. Но сегодня все изменилось. Распробовав по-настоящему бесконечный потенциал возобновляемых источников энергии, научившись использовать его легко и непринужденно, человечество уже не выпустит чистую энергию из своих рук.

За десятилетие с 2004 по 2013 г. установленная мощность солнечных электростанций в мире выросла в 53 раза. К 2040 г. солнечная энергетика станет крупнейшим источником электроэнергии в мире согласно сегодняшнему прогнозу Международного энергетического агентства, которое не отличалось ранее оптимизмом в отношении ВИЭ. В 2014 г. в Европейском союзе 79 % вновь введенных генерирующих мощностей приходилось на возобновляемую энергетику. Энергия ветра уже сегодня позволяет вырабатывать самое дешевое электричество на Земле. В Китае ветроэнергетика уже с 2012 г. дает больше электричества, чем атомные электростанции. Только за один 2014 г. Китай построил 20,7 ГВт новых ветроэнергетических мощностей (это больше, чем три Саяно-Шушенские ГЭС). К 2025 г. в Европе перестанут продавать легковые автомобили с бензиновым двигателем. Германия, которая сегодня останавливает свои ядерные реакторы, к 2050 г. будет получать 80 % электроэнергии из возобновляемых источников, и многие считают эти планы чересчур консервативными.

Это лишь мизерная доля фактов и прогнозов, о которых я расскажу в данной книге. И большинство из них свидетельствует об одном: о закате и скором конце сырьевой власти.

Ветер перемен

Когда дуют ветры перемен, одни возводят стены, другие – ветряные мельницы.

Китайская пословица

Ископаемое топливо сегодня, как и прежде, играет первостепенную роль в обеспечении человечества энергией. В 1973 г. на нефть, природный газ и уголь в совокупности приходилось 86,7 % мирового предложения первичной энергии, в 2012 г. их доля сократилась до 81,7 %, но при этом сам пирог вырос более чем в два раза. В глобальном производстве электричества углеводороды также доминируют, давая сегодня около 70 % электроэнергии, еще около 11 % вырабатывают атомные электростанции[1]. Свет, тепло, транспорт – основные сферы жизнеобеспечения – по-прежнему находятся в руках сырьевых магнатов.

В то же время энергетические и сырьевые рынки быстро меняются. Возобновляемая энергетика стремительно распространяется по свету. В 2013 г. энергия ветра покрыла 33,2 % потребления электричества в Дании и 20,9 % в Испании, став крупнейшим источником электроэнергии в этих странах. Солнечная энергетика обеспечила электричеством Италию на 7,8 %[2], в Германии доля возобновляемой энергетики в 2014 г. в производстве электричества составила примерно 27 %[3]. С 2004 по 2013 г. установленная мощность ветряных электростанций выросла в мире в восемь раз[4], а число занятых в отраслях возобновляемой энергетики сегодня приблизилось к 7 млн. В таких ядерных державах, как Германия, Великобритания и Китай, возобновляемая энергетика уже дает больше электричества, чем атомная. Несмотря на падение цен на нефть, инвестиции в возобновляемую энергетику в 2014 г. выросли на 16 %, их годовой объем составил $310 млрд, а с 2004 г. совокупный объем мировых инвестиций в ВИЭ превысил $2 трлн[5].

Большие электростанции станут в Европе лишними через 10–20 лет, поскольку электромобили, дешевые аккумуляторы и новые солнечные технологии коренным образом изменят способ производства, хранения и распределения электроэнергии, считают аналитики банка UBS[6].

Многие страны, регионы, города, корпорации, некоммерческие организации перешли или взяли на себя обязательства перейти на безуглеродное энергоснабжение в течение ближайших десятилетий[7].

Все это сигналы мировой энергетической революции. Начавшись в экономически развитых странах, она охватила весь мир. Теперь уже государства, не входящие в ОЭСР, ведомые Китаем, Индией и Бразилией, задают тон, обеспечив 54 % мировой возобновляемой электрической генерации в 2013 г.[8]

Доступная альтернатива

Возобновляемые источники окончательно перешли из разряда дорогих игрушек любителей экологии в число высокотехнологичных, надежных и дешевых поставщиков энергии. Да, здесь нет опечатки, именно дешевых и доступных.

В январе 2015 г. Международное агентство по возобновляемой энергии (IRENA) опубликовало объемное исследование под названием «Стоимость генерации в возобновляемой энергетике в 2014 г.»[9]. Основной вывод данной работы: стоимость производства электричества на основе возобновляемых источников сравнялась со стоимостью традиционной генерации с использованием ископаемого топлива или даже упала ниже.

Стоимость производства электричества береговыми ветряными электростанциями, в геотермальной и гидроэнергетике, а также на основе биомассы равна или ниже, чем стоимость генерации на угольных, газовых и дизельных электростанциях даже без финансовой поддержки и при падающих ценах на нефть. «Во многих странах, включая Европу, энергия ветра является одним из самых конкурентоспособных источников новых энергетических мощностей… Отдельные проекты в ветроэнергетике регулярно поставляют электроэнергию по $0,05 за кВт · ч без финансовой поддержки, при этом для электростанций, работающих на ископаемом топливе, стоимостный интервал составляет $0,045–0,14 за кВт · ч»[10], – сообщает Агентство.

В солнечной энергетике «наиболее конкурентоспособные проекты промышленного масштаба поставляют электроэнергию по $0,08/кВт · ч без финансовой поддержки, и более низкие цены возможны при снижении издержек финансирования. Их стоимостный интервал в Китае, Северной и Южной Америке сейчас лежит в пределах, характерных для генерации на основе ископаемого топлива»[11].

Примечательно, что еще в сентябре 2014 г. инвестиционный банк Lazard выпустил исследование «Анализ приведенной стоимости энергии»[12] (данные США), результаты которого в общем-то совпали с представленными данными Агентства. Оказалось, что самое дешевое производство электроэнергии на сегодняшний день предлагает ветроэнергетика (подчеркнем, без учета субсидий). Приведенная стоимость производства электричества (LCOE) составляет, по расчетам банка, в ветроэнергетике $37–81/ МВт · ч, в то время как для газовой генерации – $61–87, угольной – $66–151.

Еще раньше, в ноябре 2013 г., немецкий институт Fraunhofer ISE выпустил исследование «Стоимость производства электричества»[13]. Оказалось, что уже в 2013 г. интервал LCOE в солнечной и материковой ветроэнергетике примерно соответствовал показателям для генерации на газе и каменном угле, уступая лишь бурому углю, самому дешевому источнику энергии на то время.

Энергетический поворот

Сегодня не существует ни одного исследователя, который бы сомневался в том, что капитальные затраты и стоимость производства электричества в возобновляемой энергетике (в первую очередь в ее солнечном сегменте) будут падать дальше, а сложность и стоимость добычи ископаемого топлива, напротив, возрастать. Таким образом, в ближайшие годы электричество, производимое с помощью ВИЭ, станет стабильно дешевле продукции углеводородной генерации.

Это означает одно: ископаемое топливо – уголь, газ, нефть – потеряет рынок в качестве источников электроэнергии. Новые электростанции, работающие на углеводородах, строиться не будут, а выбывающие мощности станут замещаться ВИЭ-электростанциями. Между прочим, в 2013 г. в Европейском союзе 72 % вновь введенных генерирующих мощностей уже относились к возобновляемой энергетике, в то время как всего десятилетие назад на их долю приходилось лишь 20 % прироста мощностей[14]. В 2014 г. доля ВИЭ в новых энергетических мощностях ЕС составила уже 79,1 %, а если учитывать объем выведенных из эксплуатации электростанций на углеводородном топливе, то возобновляемая энергетика обеспечивает все 100 % чистого прироста[15]. В США в 2014 г. на возобновляемый сегмент пришлось более половины новых мощностей в электроэнергетике[16].

Столь решительный энергетический поворот (немецкий термин Energiewende – «энергетический поворот» – фактически стал международным обозначением нынешних перемен на энергетическом рынке) происходит по следующим причинам:

1. Технологии «новых ВИЭ», в частности солнечной и ветроэнергетики, достигли такого уровня развития, что они стали конкурентами традиционных способов производства энергии на основе ископаемого топлива.

2. Ценовая нестабильность сырьевых рынков заставляет искать альтернативные возможности энергообеспечения.

3. Зависимость от стран – поставщиков энергоносителей толкает государства, не имеющие значительных ископаемых ресурсов, к политике импортозамещения и попыткам сократить эту зависимость.

4. Глобальное потепление климата, вызванное деятельностью человека, требует новых подходов к энергообеспечению, позволяющих сократить выбросы парниковых газов и тем самым снять или хотя бы уменьшить антропогенный фактор климатических изменений.

Глобальное потепление

В России вопросы климатических перемен не стоят в основной повестке дня, мы редко слышим о них в новостях или читаем в газетах. Между тем именно данная тема является одним из главных столпов идеологии нынешнего энергетического поворота. В ее контексте развитие ВИЭ рассматривается в качестве средства, позволяющего уменьшить зависимость человечества от ископаемого топлива и, соответственно, сократить выбросы парниковых газов и, в идеале, переломить тенденцию глобального потепления.

То, что человечество сильно меняет окружающую среду, видно невооруженным взглядом, достаточно выглянуть из городского окна или полюбоваться дымом из труб ТЭЦ. Мы давно проверяем природу (и себя вместе с ней) на прочность. Окружающая среда нещадно эксплуатируется повсюду, от джунглей Амазонки до Восточной Сибири, от горных вершин до океанских глубин. Даже в Арктику настойчиво пытаются залезть нефтяники, все им мало. Факт климатических изменений также трудно оспаривать. Разумеется, перемены происходят постепенно, мы привыкаем к резким перепадам погоды, и явления, показавшиеся бы нам аномалией еще 20 лет назад, сегодня могут восприниматься как «нормальные» капризы климата. Природа, впрочем, все чаще напоминает о себе новыми и новыми сюрпризами. Ночью на 1 февраля 2015 г. я проснулся от раскатов грома, а открыв глаза, увидел сполохи молний. Не могу сказать, что это явление показалось мне обычной московской зимней погодой.

И все-таки, действительно ли деятельность человека является причиной нынешних странностей природы? Для ответа на данный вопрос в 1988 г. была создана Межправительственная группа экспертов по изменению климата (Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC), которая является сегодня главным экспертным центром в области климатических изменений. IPCC не проводит собственных исследований, ее специалисты изучают, обобщают, оценивают опубликованную научную информацию, формулируют на этой основе сценарии климатических изменений и публикуют содержащие выводы отчеты.

Нам может казаться, что глобальное потепление – спорный вопрос. Однако научное сообщество здесь практически единодушно. Большинство ученых согласно с тем, что климат меняется и эти угрожающие перемены – следствие деятельности человека. Анализ научных исследований, посвященных проблематике климатических изменений и опубликованных в период с 1991 по 2011 г., показывает, что 97 % ученых признают антропогенную природу нынешнего глобального потепления[17]. Принятое в 2009 г. совместное заявление национальных академий наук «Большой восьмерки» (в том числе РАН)[18] указывало, что «климатические изменения происходят быстрее, чем предполагалось», и призывало международных лидеров принимать политические решения, способствующие снижению выбросов парниковых газов.

Пятый со времени основания организации отчет IPCC, выпущенный в 2014 г.[19], содержит следующие основные выводы. Потепление атмосферы и океанической системы очевидно. Многие последствия этого, такие как изменение уровня моря, с 1950 г. проявляются беспрецедентно высокими темпами. Влияние человека на климатическую систему очевидно, а современные антропогенные выбросы парниковых газов являются самыми значительными за всю историю. С начала индустриальной эпохи выбросы парниковых газов увеличивались преимущественно под влиянием роста мирового хозяйства и населения; сейчас они как никогда велики. Это привело к тому, что концентрации двуокиси углерода, метана и закиси азота в атмосфере достигли уровней, являющихся беспрецедентными по меньшей мере в последние 800 000 лет. Их воздействия, совместно с воздействиями других антропогенных факторов, обнаружены во всей климатической системе, и крайне вероятно, что они являются главной причиной потепления, наблюдаемого с середины XX века. Непрекращающиеся выбросы парниковых газов вызовут дальнейшее потепление и долгосрочные изменения во всех компонентах климатической системы, повышая вероятность опасных, всеобъемлющих и необратимых воздействий на людей и экосистемы. Для ограничения изменения климата требуется существенное и устойчивое сокращение выбросов парниковых газов, что, вместе с мерами по адаптации, способно ограничить риски, связанные с изменением климата. Имеются многочисленные пути смягчения воздействий на климатическую систему, которые могли бы ограничить потепление величиной 2 °C или менее по сравнению с доиндустриальными значениями. Эти способы требуют существенного сокращения выбросов в последующие несколько десятилетий и достижения близких к нулю выбросов двуокиси углерода и других долгоживущих парниковых газов к концу века. Чем дольше мы оттягиваем сокращение выбросов, тем дороже обойдется ликвидация последствий.

Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере регистрируется лабораториями чуть ли не ежедневно. Если в 1960 г. она не превышала 320 частей на миллион (320 молекул CO₂ на миллион молекул воздуха), то в текущем, 2015 г. с большой долей вероятности устойчиво превысит 400 частей на миллион. Данный уровень впервые за историю человечества был достигнут в 2013 г., но держался несколько дней. В 2014 г. концентрация CO₂ была в среднем выше 400 в марте, апреле и июне. В 2015 г. ученые регулярно наблюдают повышенные уровни уже с января[20]. Столь высокая концентрация углекислого газа отмечалась на Земле миллионы лет назад.

Объем выбросов CO₂ в атмосферу увеличился по сравнению с 1973 г. более чем в два раза, а современный энергетический сектор ответственен примерно за две трети мировых выбросов парниковых газов, поскольку порядка 80 % глобального потребления энергии обеспечивается ископаемым топливом[21]. Сохранение нынешней структуры производства и использования энергии с большой долей вероятности приведет к катастрофическим для человечества последствиям.

Основываясь на накопленных и современных научных исследованиях, моделях климатических изменений, IPCC[22], а также другие межгосударственные организации, в частности Международное энергетическое агентство (International Energy Agency – IEA)[23], публикуют возможные сценарии динамики выбросов парниковых газов и развития глобального потепления.

На международном уровне сформировался консенсус по поводу того, что с антропогенным влиянием на климат надо что-то делать. Данное согласие вылилось в Рамочную конвенцию ООН по изменению климата (Framework Convention on Climate Change – UN FCCC), подписанную в 1992 г. представителями более чем 180 стран, включая Россию. С тех пор проводятся регулярные встречи-конференции, на которых обсуждаются и принимаются соответствующие протоколы и оформляются соглашения по совместному преодолению антропогенных факторов климатических изменений. В 2010 г. в Канкуне, Мексика, было подписано соглашение, в соответствии с которым глобальное потепление должно быть ограничено двумя градусами Цельсия сверх доиндустриального уровня. Такое повышение температуры примерно соответствует концентрации CO₂ в атмосфере на уровне 450 частей на миллион («сценарий 450 ppm» в терминологии Международного энергетического агентства), в то время как для доиндустриального периода был характерен уровень примерно 280 частей.

С одной стороны, с экологической точки зрения данная граница представляется чересчур «завышенной», что вызывает протесты экологов и представителей стран, которые в наибольшей степени пострадают (и страдают уже) от климатических изменений, ведь некоторые заселенные территории буквально «уходят под воду». При этом следует учитывать, что даже такой «незначительный» рост концентрации CO₂ крайне негативно скажется на экосистеме планеты в целом, а не только наиболее уязвимых регионов. Человеческая цивилизация формировалась и развивалась на Земле в условиях, когда уровень CO₂ не превышал 300 частей. Многие ученые, эксперты в области исследований климата считают, что «крайним», безопасным для планеты уровнем является показатель 350 частей, а значит, страновые и межгосударственные цели развития должны ориентироваться на эту величину[24].

С другой стороны, текущие динамика выбросов и тенденции развития общества, в том числе его энергетического сегмента, таковы, что цель 2 °C представляется слишком агрессивной и труднодостижимой – для этого придется кардинально перестроить энергетическую систему и фактически отказаться от использования угля, нефти и, в значительной степени, природного газа к 2050 г.

Если же все останется так, как сейчас (в терминологии Международного энергетического агентства: Current Policies Scenario – сценарий действующих норм), то потребление энергии увеличится к 2050 г. в два раза, а выбросы парниковых газов еще больше, в результате во второй половине столетия следует ожидать повышения температуры на 6 °C, что приведет к катастрофическим последствиям и, вероятно, уничтожит нашу цивилизацию. Таким образом, «совершенно очевидно, что мы достигли внешних пределов, до которых может расти глобальная экономика, построенная на базе нефти и других видов ископаемого топлива»[25].

В данном контексте развитие ВИЭ представляется критически важным для сохранения жизни на Земле, и возобновляемая энергетика уже готова предложить человечеству эффективные и конкурентоспособные по цене способы энергетического обеспечения. Накопленный опыт некоторых развитых индустриальных государств показывает, что возобновляемые источники энергии являются средством, позволяющим разорвать зависимость между экономическим развитием и ростом выбросов парниковых газов. Для роста экономики уже не нужно сжигать углеводороды (по крайней мере, в прежней пропорции). Стремительный рост возобновляемой энергетики в прошедшее десятилетие подает надежду, что мы сможем справиться с нависшей климатической угрозой.

ВИЭ – «разрушители»

Разумеется, не все рады новому сильному участнику в игре, на кону которой триллионы долларов. Как подсчитала инвестиционно-консалтинговая фирма Kepler Cheuvreux, в случае реализации сценария 450 ppm, т. е. солидарного проведения на международном уровне политики ограничения глобального потепления 2 °C, мировая сырьевая индустрия за два следующих десятилетия недосчитается ни много ни мало $28 трлн выручки, при этом большую часть, $19,4 трлн, потеряет нефтяная отрасль[26].

Уже сегодня многие традиционные энергетические компании чувствуют себя неуютно в компании с ВИЭ. Прочно вошедший в употребление термин «ВИЭ – разрушители» (disruptive renewables) возник не на пустом месте. «Как потерять полтриллиона евро» – под таким заголовком вышла статья в журнале The Economist, рассказывающая об обвале рыночной капитализации крупнейших европейских игроков энергетического рынка, потерявших более половины стоимости с 2008 г.[27] Некоторые из них, такие как немецкая E. On (сопоставимая по годовой выручке с российским Газпромом), уже сдались, пытаясь реализовать свои «углеводородные» энергетические активы, и переориентироваться на возобновляемую энергетику.

Консалтинговая компания Accenture, просчитав различные сценарии развития энергетических рынков, пришла к заключению, что наиболее вероятным является такой вариант: потеря минимум $18 млрд доходов в год энергетическими компаниями в США и $48 млрд в Европе в ближайшие десять лет. А в ситуации «идеального шторма», в которой поддержка (субсидирование) ВИЭ сохранится в 2020-х гг., стоимость технологий продолжит падение, а конечные пользователи станут массово отдавать предпочтение распределенным альтернативным технологиям, потери энергетических компаний могут вырасти к 2025 г. до $130 млрд в год[28].

Соответственно, новые капиталоемкие проекты по освоению месторождений углеводородного сырья являются крайне рискованными, поскольку они уже ближайшие годы столкнутся с конкуренцией новых источников энергии. Традиционные энергетические компании в нынешней форме могут потерять половину своего рынка, которая перейдет к энергоэффективности, солнечной энергетике, системам хранения и другим видам распределенной генерации, предупреждает Citibank в исследовании под названием «Энергетический дарвинизм»[29].

Не только крупные производители электричества, но и сырьевые концерны начинают осознавать риски, связанные с распространением ВИЭ. Некоторые пытаются «возводить стены», вкладываясь в критику «климатических мифов» и возобновляемой энергетики, выбивая дополнительные льготы из правительств на разработку новых месторождений, а некоторые, напротив, «строят ветряные мельницы», понимая необходимость адаптации к новому энергетическому порядку и диверсификации бизнеса.

Дети капризничают, если у них отбирают любимую игрушку, а реакция взрослых на попытку отнять кусочек их пирога может быть более жесткой, особенно когда пирог стоит триллионы долларов. Чего не сделаешь при таких ставках, ведь «нефть – это уже почти деньги», большие деньги, которые сменяют президентов и начинают войны с одной целью: обеспечить бесконечность спирали «больше нефти – больше денег – больше власти – больше нефти».

Выстроить оборонительное укрепление или начать войну – обычные варианты агрессивных стратегий, призванных защитить доходы крупного бизнеса. Задушить потенциальных соперников в колыбели – известный с библейских времен способ обеспечить себе «стабильное» будущее. И наиболее проницательные представители сырьевой власти пытались сделать это уже давно. Вспомните классическую американскую комедию, которая известна у нас под названием «Голый пистолет» (Naked Gun 2). Вышедшая на экраны почти 25 лет назад, она повествует о том, как «плохие парни» – предприниматели и лоббисты сырьевого сектора – самыми грязными способами пытались помешать повороту политики в сторону чистой энергии.

Пока не получилось, возобновляемая энергетика выросла и окрепла, превратилась в мощную отрасль мировой экономики с миллионами занятых и сотнями миллиардов ежегодных инвестиций. Меры по ее поддержке декларированы более чем в 130 государствах. Поэтому вариант адаптации к неизбежным переменам все чаще появляется в повестке дня заседаний директоров сырьевых гигантов.

Строим «ветряные мельницы»

Например, Американский нефтяной институт (American Petroleum Institute), крупнейшая в США ассоциация предприятий нефтегазового сектора, в 2015 г. посвятил возобновляемой энергетике почти половину своего отчета, в котором, в частности в главе с говорящим названием «Солнечная энергетика в Америке светит ярко», сказано: «Если посмотреть на энергетическое будущее Америки, солнечная энергетика может по-настоящему изменить правила игры, предоставляя все большему и большему числу домов, предприятий, школ и правительственных учреждений на всей территории Соединенных Штатов чистое, надежное и доступное электричество»[30].

Понимание того, что нужно что-то делать с ВИЭ и что от них просто так не отмахнуться, уже пришло. Даже несмотря на то, что случавшиеся ранее попытки крупных сырьевиков входить в сектор возобновляемой энергетики нередко быстро заканчивались. Так, BP свернула свой солнечный бизнес в 2011 г., Chevron продала прибыльный проект в области ВИЭ в 2014 г.[31] А вот хорошо известная нам французская Total осознала конечность нефти и поверила в бесконечный потенциал солнца. Компания достаточно успешно покупает активы в возобновляемой энергетике. Ей ринадлежит 66 %-ная доля в американской SunPower, которая выпускает самые эффективные в мире солнечные (фотоэлектрические) элементы и панели. Нефтяная компания также вкладывается в электростанции, которые строит SunPower в разных странах. Кроме того, показательна инвестиция Total в Amyris, ведущего разработчика и производителя биотоплива.

Участники китайского сырьевого рынка, на который во многом уповают российские экспортеры углеводородов, также ощущают ветер перемен. Глава нефтяного гиганта Sinopec недавно выступил с сенсационным заявлением: «В будущем углеводородное топливо перестанет быть ключевым бизнесом Sinopec. Нефть и газ останутся главными источниками энергии в будущем, но они не будут единственными источниками, больше внимания будет уделено нашей новой энергетике и возобновляемым источникам энергии»[32].

Несырьевой бизнес поддерживает энергетический поворот, активно возводя «ветряные мельницы». IKEA планирует к 2020 г. на 100 % обеспечивать себя исключительно чистой энергией. ВИЭ уже сегодня на 100 % снабжают электричеством все дата-центры Apple, компания является крупнейшим владельцем солнечных электростанций. IBM собирается в 2020 г. покрывать 20 % своих потребностей с помощью возобновляемых источников. Компания Google с 2007 г. оставляет на планете «нулевой углеродный след». Помимо 35 %-ной доли ВИЭ в потребляемой энергии Google осуществляет мероприятия по компенсации выбросов CO₂, главным образом инвестируя в предприятия по производству чистой энергии. Вложения и обязательства Google инвестировать в возобновляемую энергетику превысили $2 млрд.

Солнечная, ветровая, геотермальная, гидро– и биоэнергетика в сочетании с развитием систем хранения энергии и электрического транспорта сегодня превратились в силу, которая подтачивает и разрушает сырьевую власть, но в то же время созидает новое, чистое энергетическое будущее.

Разумеется, все новое содержит в себе элемент неопределенности. Радикальные перемены в энергетике – это вызов не только традиционным сырьевым и энергетическим компаниям, но и устойчивости, надежности страновых энергосистем. Нестабильный, погодозависимый характер ветровой и солнечной генерации ставит перед специалистами сложные задачи по интеграции «капризных» ВИЭ в электрические сети и по созданию принципиально новых сетевых решений. Посудите сами, в воскресенье, 11 мая 2014 г., 80 % потребления электроэнергии в Германии было обеспечено солнцем и ветром, а 12 ноября того же года они покрыли лишь 10 % потребности. Как быть и как жить с такой переменчивостью?

Но давайте вспомним, что человек летает в космос и умеет использовать ядерную энергию. По сравнению с этими достижениями «приручение» энергии ветра и солнца представляется не такой уж трудной задачей, и у меня нет сомнений, что она будет успешно решена. О возможных путях и предпринимаемых шагах я расскажу на страницах этой книги.

В октябре 1975 г. академик П. Л. Капица выступил с докладом «Энергия и физика» на научной сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР.

«Ни один из предложенных до сих пор методов преобразования солнечной энергии не может этого осуществить так, чтобы капитальные затраты могли оправдаться полученной энергией. Чтобы это было рентабельно, надо понизить затраты на несколько порядков, и пока даже не видно пути, как это можно осуществить»[33], – отметил академик.

Спустя несколько десятилетий произошло ровно то, о чем размышлял Петр Леонидович, – капитальные затраты на солнечную генерацию снизились на несколько порядков. Это создало мощный стимул для развития возобновляемой энергетики, в результате чего образовался новый крупный сегмент энергетического рынка, претендующий на существенную часть мирового энергетического пирога.

Солнечная энергетика – самый быстрорастущий сегмент рынка возобновляемой энергетики, энергетического рынка вообще и фаворит автора этой книги. Я, разумеется, за сбалансированное разнообразие и за то, чтобы «расцветали сто цветов», тем не менее ничего не могу поделать с уверенностью, что солнце в скором времени станет основным используемым человеком энергетическим ресурсом.

В одиночку солнечная энергетика вряд ли сможет заменить уголь, нефть и газ. В то же время, в сочетании с другими ВИЭ, она вполне способна в относительно недалеком будущем убрать с мировой арены углеводороды, играя в этой композиции первую скрипку.

За десятилетие с 2004 по 2013 г. установленная мощность солнечных (фотоэлектрических) электростанций выросла в мире в 53 раза[34]. В 2013 г. она составила 139 ГВт[35], а в 2014 г., по предварительным данным, превысила 179 ГВт[36]. Пятерка стран-лидеров по масштабам солнечной энергетики сегодня выглядит так: Германия, Китай, Италия, Япония, США. В ряде государств солнечная энергетика уже занимает приличную долю в выработке энергии. В Италии она покрывает 7,8 % годового потребления, Греции – 6 %[37], а в пасмурной Германии – 5,3 %[38]. В мировом масштабе ее доля пока незначительна и не превышает 1 % совокупной электрической генерации. Тем не менее налицо все предпосылки скорого изменения.

По одному из сценариев Международного энергетического агентства, ранее весьма консервативного в вопросах ВИЭ, солнечная энергетика к 2040 г. станет номером один – крупнейшим мировым производителем электроэнергии, а к 2050 г. ее доля достигнет 27 % мирового производства электричества[39]. Примечательно, что прежний прогноз Агентства, составленный в 2010 г., предусматривал существенно более скромные показатели роста, но случилось так, что «технологии усовершенствовались и затраты упали больше, чем ожидалось»[40]. В выдающихся перспективах солнечной энергетики не сомневается и лауреат Нобелевской премии, академик Жорес Иванович Алферов, который «абсолютно уверен, что солнечная энергия станет основным источником электроэнергии к концу нынешнего столетия»[41]. Даже нефтяной гигант Shell признает, что солнце станет главным источником первичной, не только электрической, энергии в мире и его доля в мировом энергетическом балансе будет превосходить доли углеводородов вместе взятые (по сценарию нефтяной компании это случится к 2100 г.)[42].

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/м 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 врмя 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.

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?

В. В. Путин

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].

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.