Точка зрения
02.07.12

Еще раз о жизни после нефти.

Сергей Плеханов, генеральный директор ОАО «НПП «Квант»

Альтернативная энергетика (или возобновляемые источники энергии – ВИЭ) создала человечество - человек использует огонь с момента появления Homo Sapiens, потом он научился использовать ветер.  И так продолжалось до 17 века, пока не началась промышленная добыча каменного угля.

Подавляющую часть энергии, потребляемой современной цивилизацией, мы получаем за счет пяти основных источников: нефти, природного газа, угля, атомной энергетики и гидроэнергетики. Почти 80% энергии дает сжигание углеродного топлива.

В настоящее время планете  Земля требуется примерно 1.5 года для того, чтобы воспроизвести то, что человечество потребляет за 1 год. (Это не относится к ископаемым ресурсам - продолжительность формирования месторождения нефти и газа составляет миллионы лет). Большинство ученых считают, что при текущих объемах потребления и объемах доказанных запасов, человечеству хватит промышленных запасов нефти на 50-80 лет, газа – на 60-80 лет.  Поскольку по этой теме существует крайне много спекуляций, уточним, что через 20-30 лет в значительной степени уже не будет того, что сейчас считается нефтью. Будет продукт, который сегодня промышленной нефтью не считается. Добываемая нефть с каждым годом становится все тяжелее, содержит все больше смол, битумов, примесей типа серы, и цена ее переработки постоянно растет. Поскольку нефть – ценнейшее сырье для органической химии, сжигать ее -  все более непростительное расточительство. За последние 30 лет мировая добыча нефти увеличилась на 50%, а затраты на ее извлечение (в текущих ценах) выросли почти в 17 раз. Для добычи нефти есть показатель - EROI - коэффициент отношения энергии на выходе и на входе. В 60-х годах ХХ века на каждую единицу энергии, вложенную в добычу получали 100 единиц энергии нефти. В 2000-м только 20, а сейчас EROI близок к 1 для большинства новых месторождений. 

Даже если вспомнить создание технологии добычи «тяжелой» нефти из нефтеносных песков, теоретическую возможность разработок газовых гидратов (твердые кристаллические соединения с общей формулой CnH2n+2mH2O), это не изменит ситуацию принципиально. Освоение этих ресурсов, видимо, всего лишь отодвинет пик мировой добычи углеводородов ближе к середине текущего века.

Иными словами, с наступлением эпохи массовой индустриализации и пост-индустриализации, с включением Индии и Китая в техносферу, ресурсный коллапс стал близким. Влияние государств, обладающих теми или иными природными ресурсами, усиливается, одновременно усиливается и нажим на эти государства со стороны прочих. Мы, видимо, стоим на пороге глобального перелома и перераспределения векторов влияния на планете, и это время жизни одного поколения. Представляется, что к концу первого десятилетия XXI века мировыми элитами достаточно четко осознано существование проблемы будущего нынешней цивилизации в условиях окончания рентабельных запасов углеводородного сырья.
Скептики могут назвать десяток экспертов, мнение которых отличается от приведенного. Поэтому предлагается следующий подход. Физика, особенная квантовая,  часто воспринимается, как нечто очень далекое от повседневной макро-жизни. Напрасно… Ее дуалистические вероятностные  понятия порой лучше описывают наш макромир, чем упрощенно-категоричные утверждения экспертов. В квантовой физике есть понятие «вектор плотности потока вероятности». Мы также живем в потоке вероятностей, и в хаосе противоречивых оценок различных, часто ангажированных экспертов,  существует своеобразный вектор плотности потока вероятностей.

Если с этой точки зрения посмотреть на происходящее в энергетике – что можно увидеть? С одной стороны – несомненно - ограничения сырьевых ресурсов нарастают, технологические ограничения на новые виды получения энергии (например, термоядерной) сохраняются, экологические и климатические проблемы нарастают, затраты на восстановление того, что человечество портит (рекультивация хранилищ ядерных отходов, золоотвалов, карьеров и пр.) растут. С другой стороны – также несомненно - идет развитие технико-экономических возможностей ВИЭ (снижение стоимости, рост эффективности). Анализируя множество случайных и закономерных фактов, можно утверждать:  вектор плотности потока вероятности преимущественного развития ВИЭ направлен в будущее, а его модуль непрерывно растет.

Каковы вообще потенциальные источники энергии для человечества?
• ископаемые невозобновляемые источники - основа современной промышленности
• атомная энергия
• термоядерный синтез
• возобновляемая энергетика (приливная, геотермальная, солнечная, ветряная, гидро)
• «неизвестные ныне принципы»

Ископаемые невозобновляемые источники

Даже независимо от того, имеют ли эти ресурсы биогенное происхождение или нет (о чем иногда спорят специалисты), в любом случае, они накапливались на протяжении нескольких сотен миллионов лет. Если сопоставить остающиеся в распоряжении человечества ископаемые энергоресурсы и возможные сценарии развития мировой экономики, демографии и технологии, то это время, в зависимости от принятого сценария и степени оптимизма, составляет от нескольких десятков до сотни лет. В исследовании, проведенном в 2010 г. специалистами The Oil Drum, пик поставок всех видов ископаемого топлива прогнозируется к 2018 году, а с 2025 года намечается длинный спад. С 1985 года объем нефти, ежегодно добываемой в мире, превышает объем ее вновь открываемых ресурсов, то есть их исчерпание — это только вопрос времени, причем времени жизни одного поколения.

Немаловажно, что планета уже не может компенсировать последствия сжигания углеводородов – растет средняя температура Земли. Известно, что многие эксперты считают, что человечество подвергает опасности мировую экологическую систему в связи с глобальным потеплением, вызванным парниковым эффектом. Продукты  сжигания углеводородов в форме парниковых газов задержали достаточно отраженного от земной поверхности тепла, чтоб средняя температура у поверхности Земли повысилась на половину градуса Цельсия в течение ХХ столетия. Можно спорить о роли человека в этом процессе, но трудно не признать, что созданная человеком техносфера становится детонатором его же гибели.

Атомная энергия

Ядерные реакторы на тепловых нейтронах – основа современной мировой атомной энергетики. Главная причина беспокойства – близкая исчерпаемость дешевых месторождений урана. Во многих странах создаются стратегические запасы. Серьезной проблемой являются транспортировка,  а также конструкция самих АЭС, срок службы которых 30 - 40 лет. Проблемы, о которой мало говорят честно - захоронение радиоактивных отходов (ОЯТ), технические проблемы утилизации - не решены и фактически перекладываются на следующие поколения. На перспективу ближайшего столетия, в этом классе останется, возможно, атомная энергетика на быстрых нейтронах (на основе плутония). Безопасная технология плутониевой энергетики с замкнутым (безотходным) циклом до сих пор не разработана. Экспериментальные реакторы на быстрых нейтронах появились в 1950-е годы, но к началу 1990-х большинство этих проектов было прекращено из-за риска аварий и высоких эксплуатационных затрат. Кроме того, эта технология опасна с точки зрения нераспространения ядерного оружия. Авария на «Фукусиме», уже приведшая к фактическому отказу Японии и Германии от использования атомной энергии, вновь ввергла будущее атомной энергетики в зону неопределенности и вновь наглядно показала, что для обеспечения «светлого будущего» ядерной энергетики необходимо обеспечить ее абсолютную безопасность. Возможно, такая безопасность может быть достигнута, но требует много времени для реализации и огромных затрат.

Термоядерный синтез

десь нет ресурсных ограничений, но технические проблемы очень серьезны и нет весомых оснований ожидать, что они будут решены в ближайшем будущем. По мнению Е.П. Велихова – в прошлом одного из наиболее энергичных сторонников термоядерной технологии, – даже в случае успеха, мощность коммерческих термоядерных реакторов к концу 21 века во всем мире не превысит 100 ГВт. Заметим, что установленная мощность всех источников энергии на земном шаре в настоящее время превысила 3,5 ТВт.  Слишком велики технические трудности создания высокотемпературной дейтерий-тритиевой плазмы в реакторах с положительным выходом энергии.

Энергия, получаемая из «неизвестных ныне принципов»

Трудно отрицать, что мы не знаем до конца природу материи и пространства-времени, нашей Вселенной. Мы не понимаем природу вакуума, ввели понятия «темной материи» и «темной энергии» и пытаемся их обнаружить. Само пространство или «физический вакуум», наверное, имеет некую внутреннюю структуру, следовательно, может служить источником энергии, если организовать процесс изменения его структуры. Теория «Большого взрыва» предполагает возможность существования «бесконечно большой энергии» в «бесконечно малой точке». Но сегодня даже у завзятых оптимистов нет ни малейшего основания полагать, что в ближайшем обозримом будущем человечеству удастся «открыть» кладовую бесконечной энергии.

Возобновляемая энергетика

То, что мы теперь называем ВИЭ, это единственный вид энергии, сопровождающий человека всю его историю. До 17 века солнечная, ветровая энергия и энергия сжигания древесины, в которой солнечная энергия аккумулируется благодаря фотосинтезу, были единственными источниками энергии для человека. И сейчас 20% мирового производства энергии основывается на сжигании древесины, энергии рек и ветровой энергии, основой которых является солнечная энергия.

В 2010 году, впервые, всемирная суммарная установленная мощность ветряных турбин, заводов биотоплива и электростанций на сжигаемых отходах, и солнечных электростанций достигла 381 ГВт, превысив общую мощность ядерных электростанций, равную 375 ГВт. В 2011 г. этот разрыв увеличился.

Традиционно говорят о дороговизне ВИЭ. Но сегодня альтернативная энергетика подешевела. После 2011 г. она конкурирует по цене с традиционной. Вот, например, отчет 2011 г. Комиссии по коммунальным услугам Калифорнии, из которого следует, что штат подписал контракт на 2012 г.  на поставку электричества с владельцами солнечной электростанции мощностью в 500 МВт по цене ниже, чем с газовиками. Из исследования Bloomberg new Energy Finance 2012 г. следует, что уже в 2016 году береговые ветряки повсюду в Европе  дадут ток дешевле, чем газовые турбины смешанного цикла. Альтернативная энергетика создает в 3 раза больше рабочих мест, чем обычная (Доклад «Института политических и экономических исследований Массачусетского университета», 2011). Альтернативная энергетика надежнее обычной. В 2011 г.  после серьезных аварий в сетях, когда отказали несколько электростанций, от «блэкаута» Техас спасли ветряки, о чем заявил глава энергетической комиссии штата. Много говорят о необходимости дотировать ВИЭ.  Альтернативная энергетика получает в 75 раз меньше дотаций, чем нефтяники. С 1994 по 2009 год в США нефть и газ были дотированы из бюджета на $447 млрд, а ВИЭ за тот же период – на $6 млрд. Более того, в начале ХХ века, когда топливная индустрия бурно развивалась, нефть и газ получали до 0,5% федерального бюджета США на свое развитие, тогда как солнце, ветер и приливы получают сегодня не более 0,1%. За последние 15 лет в Соединенных Штатах ядерная и ветровая энергетика произвели сопоставимые объемы электроэнергии (2.6 миллиарда кВтч в ядерной энергетике против 1.9 миллиарда кВтч в ветровой), но субсидирование ядерной отрасли превышает ветровую более чем в 40 раз ($39.4 миллиарда против $900 миллионов).  Думается, по другим странам, включая Россию, ситуация аналогичная.

Говоря о будущем развитии энергетики, стоит упомянуть, что Европа, видимо, готова избрать путь, основанный на возобновляемых ресурсах и иной архитектуре энергосистем. Так, согласно последнему стратегическому сценарию Еврокомиссии – Дорожной карте по энергетике до 2050 года, основной задачей которой является «декарбонизация» энергетики на фоне обеспечения энергетической безопасности и повышения конкуренции, - доля ВИЭ в конечном потреблении к 2050 году определена на уровне 75%, а в электрогенерации – 97%.

Сегодня в нашей жизни мы используем колоссальные по энергозатратности машины, требующие строительства все новых ТЭЦ, АЭС. Но учитывая все ресурсные и экологические ограничения, а также вопросы «конкурентного выживания», в ближайшем будущем перед человечеством неизбежно встанет задача - создание новых технологий и систем «экономного» использования энергии, замена сегодняшнего расточительного энергопотребителя системами, похожими на объекты живой природы. Природа использует и запасает солнечную энергию через процесс фотосинтеза. В солнечной энергетике мы также используем прямое преобразование солнечной энергии с помощью полупроводниковых структур. Но  природе хватает солнечной энергии, а нам пока нет.  Природа - экономный энергопользователь, она использует каждый квант солнечного света.

Из этого следует, что при достижении к.п.д. наземной (неконцентраторной) фотовольтаики 25-30%, (сравнимого с сегодняшним к.п.д. двигателя внутреннего сгорания или эффективностью фотосинтеза) и при фактически достигнутом «ценовом паритете», солнечная энергетика с места «вспомогательного игрока» практически безальтернативно перемещается в «основные игроки». Очевидно, что этот процесс произойдет постепенно, видимо, увы, через ряд кризисов. Параллельно будут развиваться все виды возобновляемой и др. видов энергетики с учетом региональных факторов и экономических региональных возможностей.

При создании новых мощных солнечных станций (проектирование, конструирование, эксплуатация, утилизация по окончании жизненного цикла) должны,  учитываться следующие факторы:
• безопасность эксплуатации
• минимальность и удобство обслуживания
• устойчивость к частичному разрушению
• минимальность затрат на утилизацию
• эффективность систем хранения и передачи эл.энергии

Рассмотрим эти факторы подробнее:
Безопасность эксплуатации – для этого в фотоэнергетике достаточно соблюдения достаточно хорошо разработанных во время традиционной энергетики норм для генерирующих мощностей, сильноточных и высоковольтных устройств. При наличии накопителей электрической энергии – отсутствие пожаро-взрывоопасных решений, эффективные методы заряда-разряда и контроля состояния.

Минимальное обслуживание – это сильная черта, изначально присущая фотоэлектрическому преобразованию, который не имеет движущихся частей, что существенно упрощает и снижает стоимость обслуживания. Срок службы солнечных модулей, вероятно, будет достигать 100 лет (проблема не в самих преобразователях, а в герметизирующих материалах). Конечно, всегда будет требоваться уход за поверхностью, принимающей солнечное излучение, хотя и здесь возможности «самоочищающихся» покрытий позволят минимизировать затраты.

Отказоустойчивость – схемотехнические решения в солнечной энергетике позволяют исключить «полный отказ» при повреждении части солнечных модулей, инверторов и проч. Здесь легче реализовать гибкие алгоритмы коммутации по мере отказа ряда элементов. Само наличие множества модулей и гибкая коммутация позволяют повысить надежность работы станции до боле высоких уровней, чем у традиционных ТЭЦ, ГЭС, АЭС и пр.

Утилизация – вначале отметим, что в традиционной энергетике проблема утилизации решается по-разному в разных областях. Для атомной – она не решена, если называть вещи своими именами, для угольной – частично решена, но проблемы золоотвалов и проч. хорошо известны, газовая и нефтяная - решены вполне удовлетворительно. Для солнечной энергетики проблема рециклинга отслуживших фотоэлементов часто почему-то называется в числе проблемных. Это совершенно не соответствует истине. В электронике, частью которой является фотовольтаика, проблемы рециклинга развивались всегда и решались успешно. Хорошо известны методы извлечения из отслуживших приборов, очистки и повторного использования индия, галлия, германия, кремния и проч. В настоящее время в фотовольтаике идет на рециклинг ~2500 тонн отслуживших фотоэлементов, к 2020 г. – цифра достигнет ~20 тыс. тонн, остальные фотоэлементы будут просто в рабочем состоянии (при времени эксплуатации более 30 лет).

Эффективность передачи и хранения энергии – по мере роста «солнечных» мощностей важность этой проблемы будет расти. Солнечные станции должны иметь накопитель, позволяющий выравнивать сезонные  и суточные колебания выработки. Необходимо поставить цель, например,  – за 10 лет разработать и обеспечить промышленное производство эффективных аккумуляторных батарей, которые бы обеспечивали их эксплуатацию в составе солнечных станций в течение всего жизненного цикла этих станций (обеспечивать несколько десятков тысяч циклов заряда-разряда). При этом удельная энергия этих аккумуляторных батарей может не иметь экстремальных значений – главное, чтобы эти батареи не были чрезмерно дорогими, обеспечивали требования по ресурсу, были безопасными в эксплуатации и требовали минимального обслуживания. Такие характеристики обеспечат дальнейшую перспективу солнечной энергетике. Для перспективных (в том числе литий-ионных) аккумуляторов очень важное значение имеет обеспечение требуемых режимов заряда – разряда и, соответственно, контроля состояния аккумуляторов. Именно поэтому для контроля заряда-разряда представляется эффективными использовать электрохимический интегратор, принцип действия которого основан на законе Фарадея, когда  количество электричества, прореагировавшего на электроде, пропорционально количеству электричества, прошедшего через измерительную цепь. Такой контроллер «говорит на одном языке» с аккумулятором.

Итого, краткие выводы:
1. Возобновляемая энергетика сопровождает человечество все его историю, в то время как существующая углеводородная имеет историю около 150 лет, а перспективу – около 80 лет.
2. В силу ресурсных, экономических, экологических ограничений современная «индустриальная» энергетика должна быть постепенно заменена на «новую». Конечная цель - создание гибридной системы хозяйствования с иными механизмами производства и потребления энергии, в том числе на базе децентрализованных интеллектуальных сетей.
3. В основу «новой» энергетики должна войти возобновляемая энергетика, контуры которой уже заложены и пути развития определены. Мечтания о «неисчерпаемых» источниках энергии неясного происхождения просто опасны. В условиях, когда доступные нефть и газ заканчиваются, а реальных прорывных технологий, способных заменить их, так и не создано, единственной альтернативой остается энергия, вырабатываемая на основе ВИЭ.
4. В основе ВИЭ, видимо, значительную часть будет занимать фотовольтаическая энергетика, поскольку др.  виды ВИЭ имеют более выраженные локальные привязки и ограничения. Фотовольтаика имеет значительный (и быстрореализуемый) потенциал повышения эффективности и снижения стоимости. Это стало особенно очевидно после 2011 г., который показал резкое снижение стоимости «солнечного» кВт часа.
5. Кремний останется основой фотовольтаики, особенно, когда речь пойдет о десятках гигаватт  вводимых мощностей. По мере роста объемов производства фотовольтаики встанет проблема роста объемов производства «солнечного» кремния. Сегодняшние решения через «Сименс-процесс» не являются экологически оптимальными. Видимо, после 2020 г. интенсифицируются процессы бесхлорного получения «солнечного» кремния. Разрабатывать и внедрять эти решения следует уже сейчас.
6.  Развитие энергетики в России и государственная политика в этой области, включая «Энергетическую стратегию России на период до 2030 г.», пока выдержаны в духе индустриальной энергетики и ориентированы на наращивание добычи ископаемого топлива и энергетических мощностей. Недостаточное внимание уделяется развитию ВИЭ, децентрализации энергоснабжения. Представляется, что стратегия энергообеспечения должна основываться на принципе упреждения, а развитие ВИЭ должно осуществляться ускоренными темпами.

И резюме: Вопрос развития ВИЭ - это не только вопрос энергии. Миссия ВИЭ заключается в 3 задачах: экологической, экономической, цивилизационной. Главное – в головах. Предстоит изменение сознания в базовых подходах к генерации энергии и использованию ресурсов. Этот процесс начался и будет нарастать – от соревнования «мощи ресурсов» мы переходим  к «соревнованию мозгов» в энергетике.

Институт Посткризисного Мира