Неисчерпаемый ресурс: какой должна быть завтрашняя российская энергетика
Сегодня во всем мире наблюдается тенденция смещения энергобаланса в сторону возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Согласно прогнозам, их доля в глобальном энергопотреблении к 2030 году возрастет до 20%. Ключевыми факторами опережающего развития являются экологические преимущества ВИЭ по сравнению с традиционными источниками энергии и постепенное удешевление стоимости оборудования для альтернативной энергетики.
Однако Россия не входит в число лидеров по использованию ВИЭ. Ожидается, что к 2020 году доля ВИЭ в энергобалансе страны составит лишь 1%. Однако вопрос необходимости перехода к альтернативным источникам энергии поднимается представителями власти, бизнеса и науки все чаще. Так, на недавнем общем собрании РАН, где обсуждалась стратегия научно-технического развития России, среди семи вызовов и приоритетов науки была выделена тема перехода к экологически чистой ресурсосберегающей энергетике.
ВИЭ включает в себя разные источники: это не только давно знакомая и успешно используемая гидроэнергетика, но и относительно новые виды — солнечная энергетика, ветроэнергетика, геотермальные источники (тепло приповерхностных нагретых вод и тепло сухих пород на больших глубинах), энергия волн океана и энергия от переработки отходов. При нынешних темпах добычи газа и нефти в мире хватит на ближайшие 40–60 лет, а если сделать такой подсчет для России — то на 80 и 20 лет соответственно. Чуть лучше дело обстоит с углем: в мире его хватит на 200 лет, в России — на 400. А резервы ВИЭ практически не ограниченны.
В России многие регионы труднодоступны для централизованного энергоснабжения: по разным оценкам, от 50 до 70% территории страны с населением 20 млн человек им не охвачены. ВИЭ же есть везде. Даже солнечная энергетика доступна нам больше, чем мы думаем: да, в России холодно, но солнечных дней хватает, и не только на юге, но и в таких городах, как Челябинск, Саратов, Улан-Удэ, Горно-Алтайск. Если говорить о ветроэнергетике, то тут у нашей страны самый высокий потенциал — ветра точно хватит на всех.
Однако главное достоинство ВИЭ в том, что эти источники энергии — «зеленые», то есть экологически чистые. Мировым сообществом принято Парижское соглашение по климату, в соответствии с которым мы пытаемся удержать рост средней температуры на планете в пределах 1,5–2 градусов. Главным виновником процесса потепления объявлена энергетика на органическом топливе. Поэтому предусмотрен масштабный переход на возобновляемые источники энергии, чем теперь и заняты ответственные страны.
Земное тепло
С точки зрения конкуренции с традиционной энергетикой наиболее интересными видами ВИЭ считаются солнечная, ветровая и геотермальная энергия. Однако особенно перспективной можно считать петротермальную энергию, добываемую из тепла сухих пород на глубинах от 3 до 10 км, где температура может достигать 350 градусов. Есть основания считать, что ее достаточно для вечного обеспечения человечества топливом. Метод ее добычи очень прост: бурятся две скважины, по одной подается холодная вода, по другой извлекается горячая или пар; главное, чтобы между скважинами были проницаемые породы. Сегодня в мире существует более 20 опытных установок по добыче петротермальной энергии с глубины 5 км — в США, Австралии, Франции, Великобритании и Японии. В США даже запущена первая коммерческая станция пока совсем небольшой мощностью — 1,7 МВт. По подсчетам MIT, при нынешнем энергопотреблении США хватит доступного петротермального тепла на 50 тыс. лет. В планах Министерства энергетики США к 2050 году вывести установленную мощность станций на петротермальном тепле на 10% от всей установленной мощности. В пересчете на Россию это составило бы порядка 40% от всей получаемой в нашей стране мощности.
В России уже есть все необходимое для запуска первых опытных установок для добычи петротермальной энергии. Что имеется в виду? Во-первых, у нас никак не используются несколько тысяч скважин глубиной до 5 км, где ранее добывали нефть или газ. Для того чтобы запустить их в работу по добыче петротермальной энергии, достаточно провести ряд исследований, в частности выяснить температуры в каждом конкретном месте и проверить проницаемость пород. Не так давно подобное исследование было проведено на Северном Кавказе, в Дагестане. По полученным данным, с имеющихся там скважин можно получать до 300 МВт электрической энергии.
Во-вторых, в России давно разработана геотермическая карта и определены несколько наиболее перспективных регионов для размещения опытных установок — это вся Западная Сибирь, Северный Кавказ, Камчатка и район Байкала: места, где присутствуют тектонические разломы.
Еще один источник, из утилизации которого можно получать возобновляемую энергию, — это сбросное тепло от промышленных предприятий и жилого сектора. Здесь потенциал энергосбережения России огромен, он составляет порядка 40%.
Мусор как ресурс
К ВИЭ относят также и твердые коммунальные отходы (ТКО). Концепция Waste-to-Energy означает извлечение полезной энергии из горючей части мусора. Самый эффективный подход в ее реализации — создание комплексной системы обращения с отходами, которая включает в себя полный цикл: от сокращения отходов на стадии производства и до захоронения обезвреженных остатков. Современные технологии позволяют утилизировать ТКО с получением тепловой и электрической энергии на уровне, который удовлетворяет всем экологическим требованиям.
В России есть программа по переработке мусора. Институт теплофизики РАН в рамках федеральной целевой программы разработал базовый проект термической переработки ТКО: сжигание отходов производится в барабанной вращающейся печи с последующим вихревым дожиганием. Проект называется КРТС — комплексная районная тепловая станция. В год подобная станция может переработать до 40 тыс. т мусора, что равносильно обслуживанию района с населением около 100 тыс. человек. При этом уровень вредных выбросов будет эквивалентен выбросам от двух работающих «КамАЗов»!
Главные проблемы ВИЭ
Разумеется, ВИЭ — это не только плюсы, но и затраты: сегодня возобновляемая энергетика существует в основном благодаря господдержке. Поскольку добываемые потоки энергии довольно малы, им необходимы большие территории для размещения преобразующих устройств, таких как солнечные панели и ветрогенераторы, диаметр лопастей которых достигает 100 м.
Кроме того, одна из ключевых особенностей почти всех возобновляемых источников энергии — периодичность действия. Поскольку солнце не светит ночью и не всегда есть ветер, развитие возобновляемой энергетики немыслимо без создания систем накопителей энергии в самых разных ее видах. Наиболее известные из них: ГАЭС (гидроаккумулирующая электростанция), ТАЭС (твердотельная аккумулирующая станция), электрохимические аккумуляторы, топливные элементы, маховики, суперконденсаторы.
Наиболее перспективными технологиями накопления энергии, которые активно развиваются в мире и в России, являются литий-ионные аккумуляторы и водородные топливные элементы, которые, правда, не очень безопасны и дороги в производстве. Стоит отметить, что в Институте теплофизики разработали альтернативные топливные элементы на совершенно безопасных веществах, таких как боргидриды и алюминий. Не так давно в Ирландии при участии Института теплофизики впервые в мире было запущено серийное производство топливных портативных элементов на основе боргидридов мощностью 1 Вт. Сейчас их месячное производство составляет порядка 1,5 млн штук. Что касается топливного элемента на алюминии, то уже разработаны опытные образцы мощностью до 100 Вт, которые мы надеемся вскоре также увидеть в серийном производстве.
Будущее
В Европе уже существуют довольно амбициозные программы развития возобновляемой энергетики. Так, Германия планирует, что к 2050 году 80% генерации энергии будет осуществляться за счет возобновляемых источников. Более того, поддержка солнечной генерации у немцев привела к тому, что появился даже избыток солнечных панелей, а в отдельные дни доля солнечной энергии в генерации электричества достигала 87%.
В целом вклад ВИЭ в производство электроэнергии в мире вырос от 2% в 2003 году до почти 10% сегодня, то есть в пять раз за 15 лет. Прогноз на 2020 год — 11,2%. Это означает, что во многих странах уже происходит массовый переход на альтернативные источники энергии.
Планируемый в России показатель — 1% к 2020 году — несопоставим со среднемировым. Необходим рост доли ВИЭ до 5% по установленной мощности к 2035 году, иначе мы отстанем от мировых тенденций навсегда, а возобновляемая энергетика не будет существовать как отрасль экономики.
Именно поэтому нашей стране, как никакой другой, требуется разработка мер по стимулированию и государственной поддержке отрасли.
