8 июня в Томской области начали строить атомный реактор нового поколения. Он автономный, а в результате его работы почти не остается отходов: не об этом ли мечтают экологи всего мира? Получается, четвертый энергопереход — от ископаемых источников энергии к возобновляемым — может и не состояться. Вместе с экспертами электроэнергетической компании RUTAS (резидент Инновационного центра «Сколково») разбираем, какой будет энергетика в будущем.
Локальное vs централизованное: вместо или вместе?
Начнем с генерации энергии. Здесь развиваются два направления: получение электричества из централизованных и локальных источников. К первым относятся ядерная, тепловая и гидроэнергетика, ко вторым — альтернативная.
Ядерная энергетика.По прогнозам Минэнерго, доля атомной генерации в стране будет расти до 2050 года. Атомные электростанции компактны, эффективны и экологичны, если смотреть по объему производимой энергии. А тот факт, что из килограмма урана можно произвести в 90 тыс. раз больше энергии, чем из килограмма угля, говорит сам за себя.
Воздух удаленных и труднодоступных городов скоро поменяют малые модульные реакторы, считают в Минэнерго. Из порядка ста проектов около десяти находятся на финальной стадии разработки и готовятся получать лицензии. Вместо угля, от сжигания которого страдает качество воздуха, будет мирный атом: экология улучшится.
В мировом масштабе ситуацию видят иначе даже сами атомщики. В МАГАТЭ прогнозируют, что к 2050 году суммарный объем мощностей атомных станций вырастет максимум на 82%, а общая генерация энергии из всех источников удвоится. Так что доля АЭС, сегодня это 10,4%, будет постепенно снижаться, хоть и не критически.
Гидроэнергетика. А вот с развитием гидроэлектростанций все не так однозначно. В России не планируют строить новые ГЭС, но и работающие сносить пока не собираются, потому что они обеспечивают относительно дешевую электроэнергию и позволяют справляться с пиковыми нагрузками. Американские ученые говорят о том, что из-за изменения климата ряд текущих проектов будет приносить меньше электроэнергии, чем заложено при проектировании, приводя в пример две дамбы на реке Мадейра в Бразилии. А в Грузии в этом году проходили массовые протесты против новой ГЭС. Чем сильнее влияние экологов, тем меньше шансов у развития гидроэнергетики.
Есть и еще одно препятствие для развитие ГЭС — освоенность большей части экономически целесообразного гидропотенциала в Северной Америке (около 70%) и Европе (75%). Эксперты прогнозируют, что новые ГЭС будут строить в Африке, Азии и Южной Америке, поскольку на других континентах везде, где можно построить большую ГЭС, они уже стоят. Да и за темой экологии в развивающихся регионах так пристально не следят.
Освоенный потенциал гидроэнергетики в России составляет всего 20%, но планов по развитию отрасли в стране нет.
Топливная энергетика. На нее влияет рост популярности электромобилей. Они сжимают нефтяной рынок, что сделает нефть и газ дешевыми источниками электричества, и создают дополнительный спрос на энергию. Эксперты прогнозируют, что к 2050 году цена за баррель нефти упадет до $10–18.По данным Института энергетических исследований РАН и Центра энергетики Московской школы управления «Сколково», к 2025 году транспорт будет потреблять 17% всей энергии (в 2015 году было 16%) и сохранит долю благодаря электрификации железнодорожного и автомобильного транспорта.
В Москве сейчас 200 зарядных станций для электромобилей, а к 2023 году их будет уже больше 600. Чтобы справиться с дополнительной нагрузкой на систему электроснабжения, необходима модернизация сетей. Сделать это можно без увеличения мощности генерации и трансформаторных подстанций, за счет грамотной работы с существующим оборудованием. Например, внедрение технологии RUTAS 4K повысит надежность систем, эксплуатируемых Россетями, МОЭСК, ДРСК, РЭС, ЕЭСК и другими электросетевыми компаниями, на 67%, а также добавит до 20% дополнительной полезной мощности за счет минимизации влияния реактивной мощности на систему электроснабжения. Это позволит построить новые электрозарядные станции на существующих мощностях хоть в каждом жилом квартале или дворе.
Зарядные станции во дворах — не единственный путь развития. Например, в Италии израильский стартап Electreon Wireless модернизировал выделенную полосу технологией Dynamic Wireless Power Transfer. Система располагается под асфальтом и заряжает транспорт с помощью магнитных катушек во время движения.
Скорое окончание нефтяной эпохи признают и в странах, чье благосостояние еще недавно полностью зависело от экспорта энергоносителей. Например, в ОАЭ инвестируют полученные нефтедоллары в развитие сельского хозяйства, промышленности и рекреационных ресурсов. Дубай благодаря свободным экономическим зонам превратился в глобальный деловой центр: в 2020 году на нефть там приходилось менее 1% ВВП, а порт Джабель Али благодаря удачному положению вошел в десятку мировых лидеров по размеру контейнерных терминалов.
Доля угольных ТЭС будет постепенно сокращаться, но из-за низкой стоимости получения топлива и возможности использовать их в труднодоступных районах они будут востребованы еще десятилетия.
Уголь останется без денег. За 2015–2018 годы 33 крупных банка по всему миру объявили об ограничениях в финансировании проектов и компаний в сфере добычи угля и угольной генерации. Среди них — Barclays, Credit Suisse, Goldman Sachs, HSBC, Morgan Stanley и другие. Это не лучшее направление для вашего стартапа.
Альтернативная энергия. Этот вид энергетики становится более доступным. Министерство энергетики США планирует снизить стоимость солнечной электроэнергии на 60% к 2030 году: с 4,6 цента/кВт*ч до 2 центов/кВт*ч. Именно с солнечной энергетикой связаны главные надежды: петротермальная (энергия ядра Земли) невыгодна, у гидротермальная высокий КПД только в районах с вулканической активностью, а ветряная сопровождается постоянным гулом и вибрациями. Она не станет популярным локальным инструментом «при доме», особенно в городах.
Решение в городах будущего, скорее всего, будет соломоновым и сможет сочетать комбинацию централизованного (оно экономически и экологически выгодно) и локального (крыши автомобилей, домов, фасады — все, где можно разместить солнечные панели) электроснабжения.
Рост населения приведет к более плотной застройке и урбанизации в будущем — для многоэтажек лучше подходит центральное электроснабжение. Есть вероятность появления лимитов потребления централизованной энергии, чтобы стимулировать людей часть энергии генерировать самим. Несмотря на энергосберегающие технологии, потребности человека растут. По данным ООН, в странах с высоким уровнем дохода экослед на душу населения в 10 раз выше, чем в странах с низким уровнем.
Рассчитать свой экослед можно с помощьюспециального экокалькулятора от ООН.
Возобновляемое vs ископаемое
Второй уровень конкуренции — между традиционной (ископаемой) и альтернативной энергетикой. Управление энергетической информации США ожидает, что в стране альтернативные источники скоро обгонят ископаемые. В Шотландии возобновляемые источники покрывают 97% потребностей домохозяйств. А вот в России традиционная энергетика останется основной еще минимум на 15 лет из-за сырьевого характера экономики.
В ЕС для исполнения Парижского соглашения и удержания прироста глобальной средней температуры ниже 2 °C также планируется сокращение выбросов энергетического сектора вплоть до нулевого уровня, а это означает переход на возобновляемые источники энергии. В статье Applied Energy: Is a 100% Renewable European Power System Feasible by 2050 авторы смоделировали для каждой страны Евросоюза оптимальное соотношение между различными видами ВИЭ, исходя из их климатических особенностей и прогноза по росту общего потребления энергии к 2050 году.
Весьма вероятно, что за исполнением обязательств по сокращению выбросов СО2 разными странами, в том числе и в городах будущего, будет следить «климатический полицейский». Проект Climate TRACE представляет собой систему, которая на основе спутниковых снимков в инфракрасном спектре с помощью компьютерного моделирования может найти источники загрязнения по всей планете и оценить их пагубное воздействие. По прогнозам, уже в 2021 году экологические организации смогут проверить, как правительства во всем мире соблюдают обязательства по сокращению выбросов парниковых газов.
Главные челленджи десятилетия: научиться эффективно перерабатывать отслужившие компоненты установок солнечной и ветроэнергетики и наладить многократное использование редкоземельных металлов. Например, к все тому же 2050 году общий вес лопастей отслуживших ветрогенераторов составит 40 млн тонн. The European Technology & Innovation Platform on Wind Energy предлагает разрезать лопасти, а потом измельчать в крошку для производства стройматериалов. Но переработать их непросто — установок такого размера почти нет, логистика до них сложная и дорогая.
Промышленный ветрогенератор можно построить за 7–10 дней. Егосредняя продолжительность жизни — 20–30 лет, а лопасти разлагаются сотни лет.
С солнечными батареями тоже проблемы. Фотогальванические панели содержат примеси свинца, кадмия и сурьмы. При демонтаже они попадают в почву и отравляют ее, вымываются дождями в водоносные слои. Последние годы такие отходы незаконно вывозят в бедные страны. По данным ООН, так поступают с 60–90% от всех отслуживших панелей. Некоторые государства выбирают более хитрый путь, продавая б/у панели с низким остаточным ресурсом в страны третьего мира.
Сторонники альтернативной энергетики могут возразить и напомнить про угольные ТЭС, которые занимают в Азиатско-Тихоокеанском регионе 47%, но существует и атомная энергетика из ископаемого топлива. На фоне проблем с переработкой солнечных и ветровых установок она выглядит верхом экологичности. И в этом противостоянии победителя нет.
По пути к потребителю
Добыча электроэнергии — не единственный элемент в системе электроэнергетики, который ждут большие изменения. Перспективной выглядит работа также на уровне передачи и использования энергии. Данные RUTAS показывают: сегодня необходимо генерировать на 20–40% больше энергии, чем реально нужно потребителю. Это связано с техническими потерями (до 20%) и реактивным потреблением мощности современной бытовой и офисной техникой (до 30%).
В компании есть технология, которая охватывает все этапы прохождения электроэнергии: от генерации (высокое напряжение) через линии передач (среднее напряжение) до потребителей (низкое напряжение). Упоминаемая выше в контексте инфраструктуры для электромобилей RUTAS 4K позволяет сократить технические потери до 7% от отпущенной электроэнергии и почти полностью исключить потребление реактивной мощности техникой.
Решение снижает количество необходимой энергии для генерации, значит, нужно меньше топлива. То есть ТЭС в Сибири, на Дальнем Востоке и Урале смогут использовать меньше угля для генерации, выделять меньше СО2 и экономить ресурсы. То же самое работает для газовой генерации и любой другой.
Уместно провести аналогию со строительством дома. Фундамент электроэнергетики — это генерация, кабельные и воздушные линии, трансформаторы и электродвигатели. Фундамент — грубый черновой вариант, поверх которого необходима стяжка пола. Без нее не разместить мебель, технику и необходимые атрибуты для цивилизованной жизни. Технология RUTAS 4К — та самая стяжка, которая помогает обуздать энергию, снизить на 67% количество нарушений, приводящих к перерывам электроснабжения.
На 55% сокращается время без электроснабжения для домохозяйств в городах, где применили технологию RUTAS 4K.
Технологии помогают и в частных решениях. В 2020 году журнал Time в качестве одного из 100 лучших изобретений 2020 года выбрал систему для управления сооружениями BrainBox AI. Система на основе искусственного интеллекта использует метеосводки, информацию об осадках и других явлениях внешней среды для прогнозирования тепловых условий в здании, а затем регулирует мощность кондиционирования или отопления. Запущенная в прошлом году технология контролирует температуру на площади более 3,6 млн м2 здания, помогая сократить выбросы СО2 на 20–40%. А литий-ионный аккумулятор Powerwall, разработанный компанией Tesla, помогает распределить нагрузку на сети и используется в качестве источника резервного питания в частных домах: он накапливает выработанную электростанциями или ВИЭ энергию в периоды пониженного потребления и отдает ее в пиковые моменты или при перебоях с подачей энергии.
Строительство меняет энергетику
Сегодня энергоэффективность идет рядом с экологией, а работа в направлении устойчивого развития помогает привлекать кадры и находить инвестиции. Логика прямая: здания и сооружения с большим количеством естественного света тратят меньше ресурсов на приборы освещения, с хорошей теплоизоляцией — на отопление и так далее. С 1990 года в мире существует метод экологической оценки эффективности зданий (BREEAM), по которому сертифицировано более 200 тыс. зданий и сооружений.
В России, например, практически все торговые центры МЕГА прошли сертификацию BREEAM in USE International с оценкой Very Good. В этом году Ingka Investments (как и МЕГА, входит в Ingka Group) приобрела 49% акций восьми солнечных электростанций на юго-западе России. Энергетическая мощность проектов составит 160 МВт: этого достаточно для обеспечения электричеством части торговых центров и всех магазинов ИКЕА в России.
Перемены касаются также жилищного и офисного строительства. Например, небоскреб Tower C в Шеньчжэене (Китай) от Zaha Khadid Architects построят только из переработанных материалов, а специальный затеняющий фасад в конструкции башен поспособствует вентиляции и не даст перегреваться — меньше потребуется энергии для кондиционирования.
Новостройки в России в 7–9 раз энергоэффективнее, чем хрущевки. Энергозатраты хрущевки составляют 350–450 кВт*ч на квадратный метр в год, а самой обычной новостройки — не более 90 кВт*ч на квадратный метр. Расчет делали на примере Москвы. Получается, что старый дом в пять этажей тратит столько же электричества, как новый в 35 этажей, при аналогичной площади основания.
Меняется и производство стройматериалов, даже таких энергоемких, как сталь и бетон. Например, другой лауреат журнала Time в 2020 году, Heliogen HelioHeat, представляет 100 000 размещенных в поле зеркал. Ими управляет компьютер, концентрируя отражающийся солнечный луч на башне в 40 м. Там температура достигает 1 100 °C: достаточно для плавления стали и производства цемента. Можно обойтись без сжигания ископаемого топлива. По словам основателя Heliogen Билла Гросса, в последующих версиях технологию будут также использовать для создания водорода для автомобилей с нулевым уровнем выбросов.
Пожалуй, за такими многофункциональными, экологичными и умными проектами и есть будущее промышленности и городов. Мы не можем точно знать, какими именно встретят нас мегаполисы спустя 10 или 20 лет, зато через инновации в энергетике легко делаем «слепки будущего». Все эти удивительные технологии в очередной раз подтверждают фразу писателя-фантаста Уильяма Гибсона: «Будущее уже наступило. Просто оно еще неравномерно распределено».
Читайте также:
Найдено объяснение, как Вселенная отражается возле черных дыр
Массовые отравления и новые версии гибели цивилизации: как изменились наши знания о майя