Энергия Солнца, которой достаточно для удовлетворения годовой потребности человечества, достигает нашей планеты всего лишь за один час, что наглядно иллюстрирует практически полную безграничность потенциала солнечной энергетики. Солнечные электростанции могут создаваться в самых разных условиях, в том числе на поверхности водоемов («плавучие электростанции»). Однако существует экологическая проблема, связанная с утилизацией солнечных панелей и других элементов солнечных электростанций.
В настоящее время солнечная энергетика развивается стремительными темпами, в первую очередь за счет разработки новых технологических решений, повышения КПД, внедрения искусственного интеллекта, в том числе в прогнозирование погоды и спроса, создание новых систем хранения и накопления. Все это, в свою очередь, приводит к стремительному удешевлению себестоимости. Так, согласно прогнозу Минэнерго США, средняя себестоимость солнечной генерации к 2030 г. сократится на 60 % по сравнению с 2020 г.
Стоит отметить, что правительства большинства западных стран осуществляют масштабные меры поддержки активного внедрения солнечной генерации. Так, одним из наиболее известных стимулов в США является федеральный налоговый кредит на солнечную энергию – инвестиционный налоговый кредит (investment tax credit, ITC). Те, кто устанавливает солнечные энергосистемы, могут требовать налогового вычета из подоходного налога в размере 20–30 % от стоимости устанавливаемого оборудования.
Одно из требований и ограничений в использовании энергии ветра связано с размещением ветрогенераторов в определенных местах с устойчивым наличием сильных ветров. Таким образом, при размещении на суше их необходимо строить на вершинах холмов или на открытых равнинах. При этом ветрогенераторы создают вибрационную и шумовую нагрузку, что ограничивает возможность их размещения рядом с жилыми районами. Отдельно стоит отметить морскую ветроэнергетику, характеризующуюся недостатками из-за агрессивных сред, в которых должны работать турбины, а также необходимости дополнительной транспортировки получаемой энергии.
С 2000 г. ветроэнергетика стремительно росла благодаря внедрению новых разработок, мерам государственной поддержки и субсидированию, повышению КПД, внедрению массового производства и снижению затрат. Глобальная установленная мощность ветроэнергетики – как на суше, так и на море – увеличилась за последние два десятилетия в 98 раз, с 7,5 ГВт в 1997 г. до примерно 733 ГВт в 2018 г. Мощность наземной ветроэнергетики выросла со 178 ГВт в 2010 г. до 699 ГВт в 2020 г., а морской – с 3,1 ГВт в 2010 г. до 34,4 ГВт в 2020 г. Производство ветровой энергии увеличилось с 2009 по 2019 г. в 5,2 раза, до 1412 ТВт*ч.
По мере совершенствования и масштабирования технологии затраты снижались, а коэффициенты мощности повышались. С 2010 по 2020 г. мировая средневзвешенная приведенная стоимость электроэнергии (levelized cost of energy, LCOE) наземной ветроэнергетики снизилась на 56 %, с $0,089 за кВт*ч до $0,039. За тот же период LCOE вновь введенных в эксплуатацию расположенных в море ветроэнергетических проектов снизилась примерно вдвое (48 %) (см. рис. 14).
Количество энергии, которую можно получить от ветра, зависит от размера турбины и длины ее лопастей. Выход энергии пропорционален размерам ротора и кубу скорости ветра. В 1985 г. типовые турбины имели номинальную мощность 0,05 МВт, сегодняшние «ветряки» имеют мощность 3–4 МВт на суше и 8–12 МВт – на море.
Энергия биомассы включает органический материал растений и животных, в том числе сельскохозяйственные культуры, деревья и древесные отходы. Их биомасса сжигается для получения тепла, которое приводит в действие паровую турбину и вырабатывает электроэнергию. Хотя биомасса может быть возобновляемой, во многих случаях она не является ни «зеленым», ни экологически чистым источником энергии.
Рис. 14.
Средневзвешенный КПД введенных в эксплуатацию наземных ветроэнергетических проектов по странам мира
Источник: ©IRENA.
Исследования показали, что использование древесной биомассы может приводить к более высоким выбросам углерода, чем применение ископаемого топлива, а также оказывать неблагоприятное воздействие на биоразнообразие. Несмотря на это, использование некоторых форм биомассы действительно можно считать экологически оправданным при правильных обстоятельствах. Например, опилки и древесную стружку с лесопильных заводов экологичнее использовать для получения энергии, так как при обычном разложении они выбрасывают в атмосферу значительно более высокие объемы углерода.
В настоящее время в мире происходит сильное сокращение традиционной биомассы, что сказывается на уменьшении доли биотоплива и отходов в первичном потреблении. С большой скоростью это происходит в странах, не входящих в Организацию экономического сотрудничества и развития, особенно заметно снижение значения биомассы в Азии.
Геотермальная энергетика использует тепло земного ядра. Через скважины можно доставлять на поверхность сильно нагретую воду из земных недр, направляя ее в турбины для выработки электроэнергии. Этот возобновляемый ресурс можно сделать более экологичным, закачивая использованную воду обратно в землю.
Главным недостатком геотермальной энергетики является ее локализованность и привязка к географическому положению, что делает перспективы ее развития существенными лишь для отдельных регионов на планете.
Энергия приливов относится к возобновляемым источникам, поскольку приливы вызваны постоянным притяжением Луны. Энергия, которую может генерировать прилив, стабильна и надежна, что делает этот ресурс привлекательным. Тем не менее при сегодняшнем уровне развития технологий КПД приливных электростанций сравнительно невысок, а их мощности – достаточно ограниченны.
Преимущества альтернативных ВИЭ позволяют получить значительно более широкий доступ к энергии в странах, не обладающих запасами традиционных углеводородов. Учитывая тенденцию к снижению себестоимости генерации, они могут помочь снизить стоимость электроэнергии для конечных потребителей. Кроме того, одно из самых больших преимуществ возобновляемой энергии – то, что бóльшая ее часть считается «зеленой» и экологически чистой.
Однако эти преимущества ВИЭ не уникальны. Ядерная энергетика также дает практически нулевые выбросы углерода, да к тому же полностью не зависит от погодных условий и изменений климата.
Недостатки альтернативных ВИЭ во многом связаны с их непостоянством и ненадежностью функционирования. Когда солнце садится за горизонтом или прячется за облаками, мы не можем генерировать солнечную энергию, а в штиль невозможно обеспечить ветрогенерацию. Так, только в марте 2022 г. отмечалось падение выработки доли ветрогенерации в ЕС с 17 до 7,5 % за две недели, что привело к необходимости возобновления работы ряда угольных электростанций (отчасти по этой причине ископаемое топливо не теряет своей прежней актуальности).
Тем не менее непредсказуемость работы ВИЭ означает, что для поддержания стабильности энергосистем требуются дополнительные мощности и технологии накопления и хранения энергии. Сопутствующим решением является развертывание нескольких возобновляемых технологий, создающих более гибкую систему снабжения, которая может противодействовать спадам генерации того или иного конкретного ресурса. И все же полностью обеспечить стабильность энергосистем, даже с учетом последних разработок, современные средства накопления и хранения не могут. В этой связи устойчивая к внешним воздействиям традиционная энергетика в среднесрочной перспективе останется важнейшим элементом обеспечения безопасности, надежности и стабильности глобальной энергетической системы.
Футурологические сценарии энергоперехода
МЭА в 2021 г. в докладе World Energy Outlook разработало три базовых сценария развития энергетического перехода[41].
Первый из них, «Чистый ноль выбросов к 2050 г.» (net zero emissions, NZE), считают в МЭА оптимальным. Сценарий предполагает изменения в глобальном энергетическом секторе с целью достижения углеродной нейтральности к 2050 г., причем страны с развитой экономикой должны достигнуть этого раньше развивающихся стран. Этот сценарий отвечает ключевым целям устойчивого развития ООН (ЦУР), связанным с энергетикой, в частности достижению всеобщего доступа к энергии к 2030 г. и значительному снижению выбросов парниковых газов (сценарий содержит ограничение повышения глобальной температуры в размере 1,5 ℃). Для достижения углеродной нейтральности к 2050 г. предполагается реализация комплекса мероприятий в сфере строительства, промышленности, систем отопления и выработки электричества. Сценарий «Чистый ноль выбросов к 2050 г.» построен на следующих принципах:
● страны в зависимости от уровня технологической зрелости, политических предпочтений, а также существующих рыночных условий используют все доступные технологии и варианты сокращения выбросов;
● страны сотрудничают с целью достижения углеродной нейтральности, что предполагает эффективную и взаимовыгодную совместную работу, признание неравномерности экономического развития стран и регионов, а также обеспечение справедливого энергетического перехода;
● упорядоченный переход во всем энергетическом секторе, включающий обеспечение надежности поставок топлива и электроэнергии в любое время, по возможности сведение к минимуму неиспользуемых активов и стремление избежать волатильности на энергетических рынках;
● изучение возможностей сокращения выбросов в других секторах экономики (например, в землепользовании).
Второй путь – сценарий объявленных обязательств (advanced planning and scheduling, APS), призванный показать, в какой степени заявленные национальные обязательства обеспечивают уровень сокращения выбросов, необходимый для достижения углеродной нейтральности к 2050 г. Сценарий предполагает исполнение отдельных взятых на себя национальных обязательств различных стран и достижение целевых показателей на 2030 г. и последующие периоды, независимо от того, были ли они закреплены в законодательстве или в обновленных, определяемых на национальном уровне вкладах в сокращение выбросов. Согласно этому сценарию страны полностью реализуют свои национальные цели до 2030 и 2050 гг.