Энергетика периода перемен

Комаров С.М.
(«ХиЖ», 2021, №1)

Нам предстоит совершить глобальную энергетическую трансформацию и пережить в ближайшие тридцать лет семь революций в энергетике. К чему это может привести?

pic_2021_01_10.jpg

Фото: Alarmy Stock Photo


Семь революций

Список семи революций периода трансформации, которые выделяет А.Б. Чубайс, бывший глава РАО «ЕС России», РОСНАНО, а ныне спецпредставитель президента РФ по связям с международными финансовыми организациями, таков. Первая — новая электрификация, в ходе которой создаваемые генерирующие мощности используют иные технологические принципы, а не сжигание ископаемого топлива. Вторая — промышленное хранение электроэнергии, которое неизбежно при вводе «зеленых» мощностей. Третья — децентрализация производства энергии и освобождение потребителя от поставщика: он сможет покупать энергию практически как хлеб в магазине. Четвертая — декарбонизация, или полный отказ от углеводородов при производстве энергии и переход к водородному топливу. Пятая, шестая, седьмая — использование постоянного тока в быту, передача энергии на большие расстояния без проводов и повальная цифровизация.
Различные аспекты этих революций специалисты обсуждали на двух конференциях, которые состоялись в самом конце декабря 2020 года. Одна, «Сто лет электричества», посвященная 100-летию подписания председателем Совнаркома В.И Лениным плана ГОЭЛРО, прошла по инициативе А.Б. Чубайса, а вторую, «Водород. Технологии. Будущее», организовал в Томском университете свежесозданный Консорциум по развитию водородных технологий «Технологическая Водородная долина». С помощью проводившихся там дискуссий попробуем присмотреться к очертаниям того будущего, которое нам сулит энергетическая трансформация со своими революциями.


У меня есть отличный план — надо что-то делать!

Этой фразой можно охарактеризовать настроение отечественного энергетического сообщества, которое его представители продемонстрировали на обеих конференциях. Причиной такой растерянности оказалась декарбонизация, которая свалилась на их головы.

Вот некоторые числа. Лидер евросоюзовской декарбонизации, ФРГ, планирует к 2050 году сократить выбросы парниковых газов на 80% от уровня 1990 года и добиться, чтобы возобновляемые ресурсы давали 60% всей энергии и 80% электричества. К 2018 году план оказался перевыполнен: доля зеленой генерации достигла 38%, тогда как должно быть 35% к 2020 году. В Великобритании уже к 2030 году хотят сократить такие выбросы на 68% по сравнению с 1990 годом, причем уже в 2019-м в королевстве возобновляемые источники покрывали 37% потребности в электричестве и 12% общей потребности в энергии. В Шотландии и вовсе мечтают в 2050 году сократить выбросы на 90%.

В США в целом ситуация иная: в 2050 году доля зеленых энергий не превысит 11% энергобаланса. А вот в штате Нью-Йорк уже к 2030 году 70% энергии будет зеленой, к 2040-му — 100%, выбросы же уменьшатся к 2050-му на 85%. В Калифорнии и на Гавайях полной чистоты электричества хотят достичь к 2045 году. В Японии, которая свою безуглеродную энергию получала на многочисленных атомных станциях, ситуация после взрыва в Фукусиме хуже: при планах сократить эмиссию на 80% к 2050 году, к 2030-му заявлено лишь снижение на 18% от уровня 1990 года, а солнечная энергетика дает сейчас всего 7% всей генерации. У Южной Кореи тоже скромные планы: к 2030 году они хотят сократить выбросы на 37%, а производство зеленой энергии поднять до 33% к 2040-му.

pic_2021_01_12-2.jpg

Тепловые станции в РФ вырабатывают за счет сжигания газа львиную долю электроэнергии и тепла для обогрева зданий

Фото: Александр Щербак/ТАСС 

«Как мы себя поведем в этой ситуации? — спрашивает А.Б. Чубайс, занимавший председательское кресло на первой сессии конференции «Сто лет электричества». — Будем мы этим активно заниматься или скажем, что у нас достаточно нефти и газа, чтобы жить без такой энергетики еще пятьсот лет?». Многие хотели бы услышать в ответ — «да, мы присоединимся к мировому сообществу в его борьбе за снижение выбросов парниковых газов!». Однако экономическая действительность склоняет ко второму ответу.

В самом деле, не очень просто пропагандировать идею отказа от ископаемых ресурсов в стране, которая обладает большими запасами этих ресурсов и неплохо торгует ими на мировом рынке. В 90-е годы, когда А.Б. Чубайс возглавлял РАО «ЕС России», в которое преобразовали российский сегмент Единой энергосистемы СССР, была проведена коренная реконструкция электрической отрасли. В частности, все угольные электростанции были переведены на газ, который тогда считали экологически более чистым топливом, чем уголь. При этом, чтобы не попадать в режим цейтнота из-за нехватки энергогенерирующих мощностей, был создан немалый резерв мощности. Так, если пиковое потребление страны в самую морозную пору требует 159 ГВт мощности, то мощности имеющихся станций, так называемые установленные мощности, составляют 253 ГВт. Это позволяет без опаски проводить плановые ремонты и реконструкции электростанций. Все электростанции поставляют энергию в единую сеть по долгосрочным договорам.


Зеленые беды

pic_2021_01_12-1.jpg

Диспетчер мучительно думает, что ему следует отключить, чтобы принять в сеть зеленую энергию

Фото: Гавриил Григоров/ТАСС

И вот теперь на этом рынке появляются зеленые энергии от солнца и ветра. С присущими им недостатками, а именно: высокой себестоимостью и цикличностью производства. Что делать диспетчеру сети? Он должен остановить какую-то газовую электростанцию, вырабатывающую дешевую энергию, и заместить ее дорогой, зеленой. Для развития альтернативной энергетики была применена хитрая схема, когда затраты на создание новой электростанции ложатся на всех потребителей электроэнергии за счет так называемого договора поставки мощности. Это позволило на время решить вопрос высокой цены зеленой энергии: инвестор получил гарантию окупаемости проектов через повышенные платежи энергорынка. Однако чем больше зеленых мощностей введено, тем выше оказывается цена электричества. И тут количество уже перешло в качество: чтобы сдержать инфляцию, Правительство РФ в 2021 году сократило программу поддержки зеленой энергетики.

У энергетиков сама постановка вопроса вызывает отторжение: зачем же мы глушим прекрасно работающие и свежемодернизированные газовые станции ради того, чтобы время от времени принимать энергию от дорогих ненадежных источников? Ведь в результате идет омертвление инвестиций: от газовых станций нельзя отказаться, они служат буфером — генерируют надежную энергию, когда нет ни солнца, ни ветра. Однако когда зеленая энергия поступает, газовая станция простаивает, поток дохода от нее пересыхает, что не радует инвесторов.

Предприниматели, создающие станции зеленой энергии, отвечают, что время восхода Солнца прекрасно известно, предсказать появление ветра можно с точностью до часа. Поэтому потребность в резервных мощностях сильно преувеличена и по мере развития альтернативной энергетики надобность в них будет падать. У диспетчеров энергосистемы эти соображения оптимизма не вызывают, и они, чтобы не обострять дискуссию, отвечают: да разве мы против? Будут потребители, готовые покупать вашу дорогую энергию, — мы с радостью ее им продадим. Но ведь нет таких потребителей.


Тупиковая декарбонизация

pic_2021_01_13.jpg

Атомная энергетика – второй после гидростанций источник декарбонизированного электричества в РФ

В силу перечисленных причин основными электростанциями в РФ, которые не вносят прямой вклад в глобальное потепление и, стало быть, способствуют декарбонизации, оказываются гидростанции и атомные реакторы. А солнечная, ветровая, не говоря уж о приливной и геотермальной, энергетика занимает маргинальное положение: если не служит довеском к общей генерации, то оказывается источником энергии на территориях, где централизованных поставок электричества либо нет, либо они ненадежны.

Отсюда следует, что в обозримом будущем никакой декарбонизации энергетики в РФ не случится, и это не чей-то каприз, а следствие объективной экономической и технологической ситуации. А есть ли вообще в ней надобность? Удивительно, но, согласно внутреннему законодательству и внешним обязательствам, никакой надобности в декарбонизации российской экономики нет. Так, в Парижском соглашении сказано, что РФ должна к 2030 году выйти на уровень выбросов парниковых газов в 70—75% от уровня 1990-го. Аналогичная цель поставлена в указе Президента РФ № 666 от 4 ноября 2020 года. Однако начиная с 1998 года из-за окончательного краха советской промышленности уровень выбросов на территории РФ стабильно держится около 50% от уровня 1990 года. И выходит, для выполнения обязательств выбросы надо не снижать, как во всем мире, а увеличивать. Эта странная правовая коллизия ставит в тупик всех экономистов, которые задумываются о декарбонизации экономики.

Чем плох такой подход к декарбонизации? Рассматривать моральные мучения от насыщения атмосферы парниковыми газами не станем, а обратимся к геополитике. Вполне естественно, что под разговоры о глобальном потеплении у лишенных энергоресурсов развитых промышленных стран ЕС, а также КНР и Японии возникает желание избавиться от энергетической зависимости. Однако переход на собственные источники, то есть возобновляемую энергию, стоит дорого, и продукция становится неконкурентоспособной. Как решить проблему? Очень просто: ввести налог на углерод. Внутренние товаропроизводители так и так используют дорогие энергоресурсы, и их выбор будет склоняться к местным, то есть альтернативным источникам энергии. А вот внешние лишатся преимущества своих дешевых ископаемых энергоносителей.

Сколько это будет стоить? По оценкам специалистов, в год российская промышленность поставляет на Запад товары, при производстве которых было выброшено в атмосферу 1 млрд тонн углерода, а на Восток — 250 млн тонн. Передовые экономисты из США рекомендуют использовать налог в 30—60 долларов на тонну углерода сейчас с перспективой вскоре поднять его до 100 долларов. Таким образом, российские промышленники очень скоро начнут платить в казну ЕС по меньшей мере 30 млрд долларов в год налога, который пойдет на дальнейшее развитие в ЕС альтернативной энергетики.

А.Б. Чубайс называет эту ситуацию огромным провалом российской внутренней политики. Еще бы: введи такой налог внутри страны, эти деньги пошли бы на развитие отечественной безуглеродной энергетики. А дальше все просто: покупай сертификаты зеленых энергокомпаний на электричество, что они поставили в сеть, и гаси их на таможне: мой товар сделан без выбросов углерода. Такие сертификаты уже придуманы Правительством РФ, но вот выработка зеленой энергии в стране маловата, чтобы обеспечить ими всех экспортеров. Зато под внешним давлением появляются потребители дорогой энергии, об отсутствии которых сейчас печалятся диспетчеры электросети.

Вторая проблема еще серьезнее, и она отмечена в «Стратегии экономической безопасности РФ на период до 2030 года». По мере развития мировой декарбонизации будет падать спрос на ископаемые энергоносители, которые приносят немалый доход в бюджет страны и обеспечивают заработную плату огромному числу людей. И спрос уже падает, причем вне соображений об экономической целесообразности. Так, в приказном порядке прекращены мировые инвестиции в угольную промышленность: по планам декарбонизаторов она должна стать первой жертвой энергетической трансформации. Очевидно, что далее аналогичному остракизму подвергнутся нефть и газ.

А как же жить без угля, спросит просвещенный читатель? Ведь если энергию можно взять от солнца и ветра, то без угля не выплавишь сталь. На этот вопрос есть ответ: получайте железо прямым восстановлением из руды с помощь электролиза или водорода. Последнюю технологию действительно используют, процесс называется прямым восстановлением железа из железорудных окатышей, он дает высокочистый металл, из которого потом можно сделать хорошую сталь. В СССР эту технологию реализовали на Оскольском электрометаллургическом комбинате. Правда, там водород оказывается голубым: его получают из природного газа, что сопровождается выбросами парникового СО2. Однако можно придумать технологию, в которой весь образующийся при разложении метана углерод растворяют в железе и получают сталь, а если такого водорода не хватит, его сделают из воды электролизом. Тогда получится пусть дорогая, но совершенно зеленая сталь.

Еще лучше, советуют сторонники декарбонизации, заменить сталь алюминием — его-то получают с помощью вполне возобновляемого гидроэлектричества. Специалисты, слыша эти слова, крутят пальцем у виска, но они не совсем правы. Ведь создатель первых промышленных установок по производству углеродных нанотрубок доктор Эндо Маринобу еще пятнадцать лет назад демонстрировал алюминий-нанотрубочный композит, прочность которого не уступала стальной (см. «Химию и жизнь», 2007, 8). Очевидно, что, используя меры финансового стимулирования декарбонизации, можно и такой материал сделать более экономически привлекательным, нежели «грязная» сталь.

Предчувствуя недоброе, отечественные газовики хотят начать торговать так называемым голубым водородом, то есть полученным из природного газа. Они говорят своим немецким партнерам примерно так. Ну хорошо, у вас идет декарбонизация. Электричество вы будете получать от воды, солнца и ветра, но оно же не заменит моторное топливо. В качестве моторного топлива вы выбрали водород. Для его получения вы, по требованию Брюсселя, строите огромные электролизеры. Но ведь такой водород, полученный разложением воды, стоит очень дорого!

Возьмите наш метан и в реакции конверсии сделайте из него водород — он получится в десять раз дешевле. У нас и технологии все имеются! Мы, конечно, могли бы такое производство наладить на территории РФ, но, сами знаете, водородопроводы требуют несколько другой системы безопасности, чем трубопроводы природного газа. Давайте поставим фабрики водорода на окончании Северного потока, и все будут счастливы. Вы с таким дешевым голубым водородом станете развивать водородную энергетику. Пока потребителей водорода у вас нет; они и не появятся, если водород будет дорогим. Мы же продолжим поставлять природный газ по имеющимся трубопроводам и не надо ничего менять, а как разовьется потребление водорода, возникнет его рынок, так и встанет задача замены голубого водорода зеленым. Выйдет прекрасная процедура постепенной декарбонизации.

В этом замечательном рассуждении есть дефект: при конверсии метана неизбежно освобождается углерод. И хорошо, если в виде твердой сажи: ее можно использовать или закопать с глаз долой. Однако во многих технологических схемах получается тот самый парниковый СО2, для борьбы с которым и придумана декарбонизация. Совсем не очевидно, что идея с голубым водородом сработает, даже если не брать во внимание политическое давление. А с ним и подавно: никто не помешает обложить голубой водород спецналогом, и он окажется по той же цене, что и зеленый, электролизный.

Третья беда, связанная с промедлением декарбонизации экономики, состоит в том, что страна оказывается без отечественных технологий и специалистов, умеющих работать без сжигания ископаемого топлива. Поэтому если безуглеродная энергетика вдруг оказывается востребованной в силу политических причин, придется пользоваться не своим, а зарубежным опытом, при условии, что к нему будет открыт доступ.

Вот отличный пример из японской практики, который подсказывает, как не отстать в развитии перспективных технологий. В этой стране поставлена задача занять японскими аккумуляторами 50% мирового рынка хранилищ энергии (а без них, как видно из следующей главы, декарбонизация невозможна). Чтобы обеспечить форсированное развитие отрасли, правительство сейчас субсидирует японским домохозяйствам две трети стоимости аккумулятора для личной солнечной электростанции; при таком подходе она уже перестает быть предметом роскоши. Более того, домохозяйствам предлагают не покупать аккумуляторы, а брать их в аренду и использовать для накопления энергии с последующей продажей ее в сеть.


Собранное — сохранить

Хранилища электричества — важнейший революционный элемент энергетической трансформации. В принципе с продуктами такой революции каждый сталкивается повседневно — это мощные литий-ионные аккумуляторы; они обеспечили нынешний расцвет мобильной электроники и средств индивидуальной мобильности: электросамокатов и электровелосипедов. Только благодаря аккумуляторам эти устройства ворвались в нашу жизнь и очень сильно ее изменили. Они же ведут к глобальному преображению всего транспорта (это еще одна идущая сейчас революция), обеспечив не только возможность его полной электрификации, но и появление самодвижущихся роботов на земле и в воздухе. (К глубочайшему сожалению, роботов не только для мирных перевозок граждан и грузов, но и роботов-убийц, боевых беспилотников, которые конечно же должны быть запрещены.) А вот применительно к энергетике прогресс не столь скор.

Как видно из рассказа о бедствиях российской зеленой энергетики, нестабильность выработки энергии альтернативными источниками служит камнем преткновения на пути их триумфального шествия по мировой экономике: при определенной их доле возможностей тепловой энергетики уже не хватает, чтобы покрыть скачки в производстве и потреблении электричества. Помочь могут хранилища энергии.

Когда речь идет об электростанции для личного пользования, таким хранилищем оказывается электрохимический аккумулятор. В РФ это, как правило, свинцово-кислотные, в ЕС, США и Японии конкуренцию им составляют литий-ионные. У обоих аккумуляторов есть серьезные недостатки при использовании в промышленности: они очень дороги, служат несколько лет, не очень любят полного разряда, а литий-ионные еще и время от времени взрываются. Впрочем, те, кто лишен надежного доступа к электричеству и вынужден использовать солнечные батареи, мирятся с этими недостатками  — альтернативы-то нет.

Однако промышленные альтернативы электрохимическим аккумуляторам имеются. Самый массовый промышленный аккумулятор — это гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС): два водохранилища на разных уровнях и турбина между ними. В верхнее воду закачивают при избытке энергии, а в нижнее она вытекает при ее недостатке. Самые крупные системы ГАЭС находятся в Японии (26,7 ГВт), в США (22,6 ГВт) и ФРГ (6,7 ГВт), а вообще на такие станции приходится 90% от всех мощностей для аккумуляции электричества в мире, поэтому сейчас говорить о других средствах хранения энергии стоит, лишь рассматривая перспективы на будущее.

pic_2021_01_14.jpg

По этим трубам вода перетекает между водохранилищами самого крупного в РФ хранилища электричества – Загорской гидроаккумулирующей электростанции

Фото: Александр Яковлев

Как ГАЭС покрывают потребности? Возьмем для примера ФРГ. У нее в 2018 году было 45,8 ГВт солнечных и 110 ГВт ветровых мощностей. А возможности для хранения, включая строящиеся и проектируемые, весьма ограниченны — 12,4 ГВт. В РФ ситуация с хранилищами энергии совсем другая — можно считать, что их нет совсем. В стране построено лишь три ГАЭС. Самая крупная из них, Загорская, обеспечивает хранение 1,2 ГВт энергии, а ее строящаяся вторая очередь — 0,8 ГВт. Предназначена она скорее не для утилизации зеленой энергии, а для сглаживания пиковой нагрузки на энергосистему московского региона. Такая ситуация опять не следствие чьей-то злой воли: когда страна занимает одиннадцать часовых поясов, можно покрывать пик потребления за счет переброски мощности с востока на запад и назад по мере перемещения пика вслед за движением Солнца по небосклону; так и работала советская энергетика, без промышленных накопителей электричества.

Как видно, даже у лидеров декарбонизации средства хранения существенно отстают в своем развитии от ввода генерирующих мощностей, создавая серьезный дисбаланс. Покрывают его, естественно, за счет сокращения генерации на тепловых станциях в период пика производства, возможности же таких буферов не безграничны. Видимо, для отказа от тепловой энергетики без революционных решений не обойтись, ведь найти место для размещения в густонаселенных районах водохранилищ новых ГАЭС не так-то просто.


Грузы против холода?

Одно время бытовала такая идея: мы разовьем электротранспорт и убьем двух зайцев — снизим выбросы и получим массовое распределенное хранилище энергии. Однако, как показывает статистика, до этого еще очень далеко: доля электрохимических аккумуляторов в общем мировом объеме хранилищ энергии составляет считаные проценты. Похоже, только в Японии всерьез надеются на такую перспективу и потому внесли распределенные хранилища электричества в план энергетической трансформации. Однако чаще всего в ход идут другие идеи, и, похоже, оптимальное решение, которое ляжет в основу энергетики будущего, пока не выбрано. Остановимся на двух интересных идеях.

По мнению А.Б. Чубайса, очень перспективно гравитационное хранилище. То есть башня, в которой лебедка при избытке энергии поднимает многотонный груз. При недостатке энергии груз опускается под собственным весом и отдает энергию в сеть, вращая вал генератора: система работает как гиря в часах-ходиках. Первый прототип такого аккумулятора высотой 20 метров в 2017 году возвела в новосибирском Академгородке компания «Энергозапас» из наноцентра «Сигма. Новосибирск» и Сколково. В 2021 году компания надеется начать строительство опытно-промышленного образца мощностью 2 МВт (для него потребуется башня высотой 80 м), а в случае успеха в 2025 году начать возведение промышленных установок мощностью 10—50 МВт, способных накапливать до 200 МВт.ч энергии. Эти циклопические конструкции высотой 200—300 метров будут занимать площадь около одного квадратного километра. Преимущества такой конструкции перед ГАЭС в том, что ее можно размещать практически на любой местности.

Вопрос о цене такого хранения пока открыт. Так, компания утверждает, что дело становится выгодным при накоплении 300 МВт.ч энергии. А противники проекта приводят свой расчет. Они берут упомянутый проект с башней высотой 80 метров. Предположим, что там стоит лебедка, способная поднять груз весом в тысячу тонн. Если на это затратить электричество, взятое по ночному тарифу, а потом груз опустить и продать выработанную энергию по дневному тарифу, то прибыль будет не более 500 рублей. В то время как башня с лебедкой, способной эту тысячу тонн поднять, даже без учета обслуживания и амортизации, стоит несколько дороже, в связи с чем возникает вопрос — успеет проект окупиться до износа оборудования?

Однако представим себе, что у таких хранилищ с экономикой все в порядке и что вся электроэнергия для питания Москвы проходит через них (а в случае полной декарбонизации примерно так и должно быть). В день город расходует примерно 10 ГВт.ч электричества, летом меньше, зимой больше. Значит, ему понадобится не менее тридцати блоков емкостью по 300 МВт.ч, то есть город окажется окруженным грядой искусственных холмов высотой 200—300 метров. Такая трансформация сильно изменит рельеф местности и образ жизни огромного числа людей.

Другой интересный способ — криохранилище. В нем избыток энергии идет на сжижение воздуха, а потом ее выделяют за счет расширения воздуха при нагреве. Этот способ, если ему будет отдано предпочтение, изменит не только ландшафт, но и всю жизнь людей в той же степени, как это сделала мобильная электроника. Ведь жидкий воздух, а еще лучше чистый жидкий азот помимо хранения энергии может служить для двух важнейших дел.

Первое — играть роль моторного топлива для автомобильного двигателя. Такие двигатели не только есть, но и работают в экспериментальных машинах, в том числе в грузовиках (см. «Химию и жизнь», 2017, 3). Выхлоп от азотного двигателя идеально чист, это тот же самый атмосферный воздух. Второе — создание сверхпроводящих электросетей. Такие сети оказываются гораздо более компактными, чем существующие, передают больше энергии при тех же диаметрах кабеля и не требуют отведения земли под вышки: сверхпроводящий кабель проходит на глубине. Реализации обеих технологий, очевидно, препятствует отсутствие развитого криогенного хозяйства. Возникновение промышленного криогенного накопления энергии могло бы обеспечить широкий доступ самых разных потребителей к жидкому воздуху.

Первые мысли о создании криохранилищ энергии появились в 70-х годах, а в 1998 году специалисты компании «Mitsubishi Electric» собрали опытный образец такого накопителя и убедились, что он отдает 70% введенной в него энергии. Широкомасштабные работы развернули британские исследователи из компании «Highview Power». В 2011 году они построили в пригороде Лондона опытную установку при станции получения энергии от сжигания биомассы. Мощность крионакопителя составила 350 кВт, а емкость 2,5 МВт.ч. Эффективность оказалась низкой, всего 8%, но это стало следствием малого масштаба установки. Зато на ней за три года удалось отработать различные нюансы.

Сейчас исторический накопитель переехал в Бирмингемский университет. А компания сооружает уже три крионакопителя. Так, в 2018 году заработал накопитель при свалке в пригороде Манчестера мощностью 15 МВт: он накапливает не электричество, а бросовое тепло от сжигания свалочного газа и позволят сглаживать пики потребления энергии, особенно зимой; на этот проект британское правительство выделило 8 млн фунтов стерлингов. В октябре 2020 года началась стройка промышленного криохранилища зеленой энергии мощностью 50 МВТ и объемом 250 МВт.ч опять же под Манчестером, проект обойдется британскому правительству в 10 млн фунтов стерлингов. Третий проект разворачивается в американском Вермонте. Там хранилище объемом 400 МВт.ч будет служить (вместо тепловой станции) буфером для стабилизации работы местной электросети с включенными в нее возобновляемыми источниками.

Дело в том, что в этом штате, граничащем с Канадой, людей живет мало, а станций для генерации возобновляемой энергии избыток. И новые уже ставить нельзя. Так, в январе 2019 года власти штата отказали в возведении новой солнечной электростанции мощностью 500 МВт: для ее включения в сеть нужно отключить уже работающие генераторы энергии, в том числе и гораздо более дешевые гидростанции. Когда, по мере развития систем хранения электричества, стабильность энергосистемы вырастет, тогда и строительство новых станций станет возможным.

Так что, как видно, декарбонизация неизбежно порождает революцию хранилищ энергии, и не случайно рынок таких хранилищ оценивают в десятки миллиардов долларов.


Чистый водород или не чистый?

pic_2021_01_15.jpg

ГАЭС и подобные промышленные хранилища энергии в нашей стране сейчас используют для сглаживания пиков энергопотребления. Но без них невозможно включить в энергосеть сколько-нибудь значимые мощности солнечных и ветровых станций. Хорошо, что несмотря на свои огромные размеры солнечные электростанции и ветропарки в РФ дают и в ближайшее время будут давать лишь ничтожную долю в энергобалансе страны.

На фото: солнечная станция «Перово», построенная в Крыму австрийскими энергетиками в 2011 году, когда она вошла
в число 20 самых больших станций Европы, и Зеленоградская ветряная станция в Калининградской области


С задачей как-то утилизировать зеленую энергию тесно связана и проблема водородной энергетики. В самом деле, если при генерации энергии, развив системы хранения, от сжигания углеводородов можно отказаться, то с транспортом такой прием не очень проходит.

За примерами не надо обращаться к творениям Илона Маска: любознательные граждане обнаружили, что в электробусах, которые власти Москвы внедряют вместо троллейбусов, имеется и дизельный двигатель — энергии аккумулятора не хватает на движение и обогрев салона в холодную погоду. У специалистов серьезные сомнения вызывает и способность электричества питать разного рода грузовики, особенно для дальних перевозок, а также сельскохозяйственную технику.

Поэтому разумной альтернативой считается использование более концентрированных форм энергии: в виде химически активных соединений (впрочем, развитие крионакопителей подсказывает и третий путь — применение энергии жидкого воздуха). И как только речь заходит о зеленом химическом топливе, взгляд эксперта утыкается в водород, который получают электролизом воды. У него есть безусловное преимущество перед углеводородами: при сгорании водород дает воду, а не вредные выхлопные газы. Однако есть у водорода и проблемы, которые десятилетиями не удается решить, — взрывоопасность, большой вес накопителей, а также капризность и высокая стоимость топливных элементов, в которых при окислении водорода получается электричество.

Многократные подходы к проблеме водородной энергетики (о предпоследнем отечественном см. «Химию и жизнь» 2004, 1; 2006, 5; 2007, 7) пока не дали хороших технических решений: дальше демонстрационных образцов водородного транспорта дело не идет, хотя Южная Корея планирует стать лидером в деле производства водородного транспорта и топливных элементов для него. Поэтому возникают идеи идти путем наименьшего сопротивления: заменить ископаемое углеводородное топливо синтетическим и заливать его в те же самые автомашины на тех же самых заправках. Зеленый водород для его синтеза станут получать электролизом воды, углекислый газ собирать с помощью бросового тепла либо возобновляемого электричества, а потом их соединять и делать хоть метан, хоть метанол, хоть диметиловый эфир, хоть какую горючую жидкость.

С учетом упомянутых выше предложений российских газовиков делать голубой водород из подземного метана не исключен вариант, что потом этот водород станут снова превращать в метан, но уже почти зеленый. Это выглядит как сцена из театра абсурда, однако такой театр может оказаться реальностью нашей жизни буквально через несколько лет. Причина в том, что, сохраняя двигатель внутреннего сгорания как основной движитель для транспорта, удается спасти десятки триллионов долларов, вложенных в ныне существующую топливную инфраструктуру (см. «Химию и жизнь», 2019, 7).

Так что для экономики внедрение водородной энергетики через голубой водород и сделанное из него синтетическое топливо оказывается несомненным благом.

Интересно, что собирая углекислый газ для синтеза зеленого метана на той же фабрике, где он выделяется при разложении зловредного ископаемого метана, можно получить бонусы за утилизацию выбросов парникового газа. Да и собирать концентрированный углекислый газ здесь, в источнике его происхождения, удобнее, чем извлекать по крупицам из атмосферы.

Если для использования водорода в том или ином виде в качестве моторного топлива, как видно, есть неплохие технические решения, особенно при использовании имеющейся инфраструктуры, то для электрического транспорта это удел будущего. Несложные расчеты показывают: как только доля электротранспорта превышает некоторый минимум, у энергетиков возникает еще более сильная головная боль, чем от включения в сеть зеленых электростанций.

В самом деле, предполагается, что аккумулятор электромобиля должен заряжаться на городской заправке за считаные минуты: иначе возникают очереди. У электромобилей серии «Тесла» аккумулятор хранит примерно 75 кВт.ч энергии. Для его заполнения за десять минут диспетчер сети должен иметь резерв мощности 450 кВт.

Что такое 450 кВт мощности? Это по современным нормативам тот лимит, который Мосэнергосбыт выделяет на подмосковный садовый поселок где-то в сотню дворов. Строительство заправочных подстанций, прокладка мегаваттных кабелей внутри крупных городов выглядят совершено невозможной задачей, по крайней мере, до совершения революции в технологии электрических сетей и внедрения сверхпроводящих технологий.

Интересное решение проблемы связано с проектами передачи электричества на большие расстояния без проводов. Такие технологии уже есть, но их используют главным образом для зарядки принадлежностей к мобильным устройствам, например стилуса к айпаду. А для хорошей работы электрического транспорта нужно передавать большие мощности на расстояние порядка метра: от закопанного под автострадой кабеля к двигателю автомобиля. Если такие технологии не только будут созданы, но и воплощены в жизнь, тогда действительно получится настоящая многоплановая революция: электромобиль на автостраде станет питаться от сети, решая проблему последней мили за счет своих аккумуляторов, кабель под автострадой станет линией электропередачи, а может быть, и трубопроводом жидкого азота, бонусом выйдет оснащение дороги датчиками и претворение в жизнь концепции «умная дорога — глупая машина» (см. «Химию и жизнь», 2015, 8).

Последнее обеспечит массовое внедрение роботов-электромобилей для дальних перевозок, не раз описанных фантастами. Наступит ли когда-нибудь такое будущее или будут найдены иные решения, пока никто не знает; это выяснится по мере развития глобальной энергетической трансформации.


Великая цифра

Впрочем, все эти прекрасные и где-то фантастические планы может легко развеять всемогущая Цифра, которая способна создать совершенно иной мир. Люди, связанные с техникой, с трудом могут его представить, а вот гуманитариям это сделать проще. Давние читатели «Химии и жизни», возможно, помнят статью о цивилизации старьевщика (декабрь 2013 года) и, в частности, об идеях экономики снижающихся оборотов Джона Ури или циклической экономики Вальтера Штахеля. Суть цивилизации старьевщика состоит в том, что человек должен экономно расходовать ресурсы: большей частью сидеть дома, потреблять продукты местного производства, по многу раз ремонтировать старые вещи, а в путешествия отправляться с помощью устройств виртуальной реальности.

Эту статью много и эмоционально критиковали в Сети, однако удивительным образом цивилизация старьевщика на наших глазах прорастает в окружающей реальности. И цифровая революция имеет к этому процессу самое прямое отношение: благодаря цифровым сервисам многие виды деятельности, казавшиеся неизбежными компонентами образа жизни, стали попросту не нужны, но при этом возникли другие, связанные с глобальной Сетью. В результате реальный человек стал потреблять меньше энергии, а виртуальный — больше.

Это имеет последствия. Так, энергетики заметили парадокс: устройств — потребителей энергии становится с каждым годом все больше, а вот глобальное потребление энергии уже довольно давно перестало расти. Цифровизация способна усугубить эту ситуацию, и вовсе не за счет внедрения искусственного интеллекта, который лучше человека управится с оптимизацией энергетических потоков от множества генераторов самой разной мощности.

Вот как ситуацию видит участник упомянутой конференции «Сто лет электричества» кинорежиссер Тимур Бекмамбетов, который к энергетике имеет некоторое отношение хотя бы потому, что несколько лет учился в Московском энергетическом институте. «Мир сильно изменился, — говорит он. — Например, я теперь по восемь часов кряду смотрю в экраны своих гаджетов. Я больше никуда не езжу, не летаю. Даже эту конференцию мы проводим в виртуальном пространстве. В результате не было потрачено огромное количество энергии — на перелеты, переезды, содержание зала и многое другое. Фактически мы уже живем в виртуальном пространстве, а в будущем полностью переместимся в него. В результате самой востребованной окажется не электрическая энергия, а другая — та, что циркулирует в этом пространстве; это энергия творчества. Человек перестанет быть потребителем реальных вещей; он станет потребителем и производителем контента. Так человек займется своей прямой деятельностью — созданием и распространением смыслов. Так изменятся ценности и поменяются потребности в ресурсах».

Если этот прогноз хотя бы отчасти сбудется, энергетическая трансформация породит еще и кардинальную социальную трансформацию. Ведь для социума, населяющего виртуальный мир, нужны совсем другие принципы организации общества и управления им, совсем другие цели возникнут у организующих жизнь социума политиков. И с большой вероятностью в таком мире сбудутся прогнозы марксистов об отмирании государства, его заменит совокупность взаимосвязанных сетевых формаций, отдельных социумов, о которых задумываются современные философы вроде Кирилла Мямлина с его новым коммунитаризмом. Впрочем, как говорили классики советской фантастики, это уже совсем другая история.




Солнце против проводов

Попробуем на простом примере разобраться с экономикой солнечной энергетики. Вот простая задача: я хочу сделать отопление для пчелиного улья. Это нужно для того, чтобы весной пчелиная семья быстрее развилась и принесла больше меда. В этом деле есть много нюансов, но с точки зрения энергетики она сводится к включению в сеть обогревателя, выделяющего примерно столько тепла, как и семья пчел, то есть с мощностью 10—20 Вт. Пусть для удобства расчетов это будет 12 Вт.

Есть два пути. Первый — использовать имеющуюся сеть. Для этого нужно в розетку на стене дома воткнуть удлинитель достаточной длины, чтобы дотянуться до улья. У меня эта длина — 20 метров. Такой удлинитель стоит около 1000 рублей. Однако из соображений безопасности нехорошо вне помещения использовать электроприборы с напряжением 
220 В: в улье высокая влажность, да и мало ли что. Безопасное напряжение — 12 В. Значит, нужен трансформатор. Он имеется — это зарядное устройство для автомобиля, которое стоит также не менее 1000 рублей. Итого в этой схеме все обойдется в 2000 рублей плюс стоимость электричества, которая невелика: за сутки непрерывной работы нагреватель 12 Вт потребит 288 Вт·часов энергии, что стоит 1 рубль 15 копеек.

А что с солнечной батареей? Она, несомненно, избавит от развешивания проводов по участку с риском пожара от короткого замыкания. Выйдет классический вариант электропитания потребителя, отрезанного от сети. Но сколько стоит такое питание?

Начиная с марта Солнце в Подмосковье светит 10 часов, а средний выход энергии составит 30% от номинала батареи. Значит, чтобы получить за это время 288 Вт·ч энергии, нужна батарея мощностью 86 Вт. Такая батарея стоит 3000—4000 рублей. Выработанную ею энергию придется где-то хранить: нагреватель работает и ночью. Значит, нужен аккумулятор, а к нему контроллер заряда: ток через него пойдет на аккумулятор, а от него уже на нагреватель, по-другому эти системы не работают. Контроллер стоит недорого — 1000 рублей. А вот с аккумулятором сложнее. При напряжении 12 В, которое номинально выдает солнечная батарея, мощность нагревателя 12 Вт требует тока в 1 А. Стало быть, аккумулятор должен хранить не менее 14 А·ч энергии (считая, что солнечная батарея в марте не дает тока около 14-ти часов), а лучше 24 А·ч энергии. Но если его разряжать полностью, он быстро испортится, гарантия долгой службы аккумулятора — разрядка на треть. То есть он должен иметь емкость 42—72 А·ч. Такой аккумулятор стоит не менее 8000 (кстати, литий-титанатный аккумулятор на 20 А·ч обойдется и вовсе в 28 000 рублей). Итого выходит минимум 12000 рублей, причем если бы потребовался не постоянный, а переменный ток, скажем, для питания датчиков микроклимата в улье, в цену вошел бы еще и дорогой инвертор. И все это для того, чтобы в улье постоянно горела небольшая лампочка, тепло которой едва почувствуешь ладонью!

Понятно, что такой проект никуда не годится. За эти деньги можно купить 15 литров меда, пчелы же и так его принесут без всякого раннего развития даже в скудной медоносами Московской области. А что годится? За 1600—1800 рублей можно купить солнечную батарею мощностью 30—50 Вт. Если нагреватель воткнуть в нее напрямую, он как-то будет греть в течение солнечного дня, скорее всего не переходя предела в желаемые 10—20 Вт мощности. То есть пчел не зажарит. На всякий случай можно вставить в схему термореле ценой 100 рублей. Однако никакого резервного питания нагревателя ночью не будет: придется пчелам довольствоваться тем теплом, что накоплено в конструкциях улья за день нагрева. Не самый лучший вариант, но это то, что может предложить солнечная энергетика по разумной цене.

123

Разные разности

17.05.2022 17:00:00

Если использовать методику расчета, предложенную Каролиной Вагнер из Огайо, Лином Чжаном из Ухани и Лутом Лейдесдорфом из Амстердама, то по показателю топ 1% индекса цитирования в 2015 году КНР обошла ЕС, а в 2019 – США.

>>
05.05.2022 18:00:00

С помощью спектрометра ALMA на протопланетном диске у звезды Oph IRS 48 удалось зафиксировать сразу две крупные органические молекулы – диметилового эфира СН3ОСН3 и метилформиата CH3OCHO

>>
11.04.2022 16:00:00

…корейская исследовательская группа разработала мягкую, механически деформируемую и растягиваемую литиевую батарею, которую можно печатать на одежде…

…связь между потреблением алкоголя и риском сердечно-сосудистых заболеваний не линейная, а скорее экспоненциальная

…без тропических лесов глобальные температуры были бы на 1°C выше

>>
29.03.2022 17:30:00

Ни у одной каменистой планеты, в отличие от Земли, нету тектоники плит, и планетологи не знают почему. Не исключено, что причина именно в смещениях барицентра под влиянием Луны и Солнца.

>>
25.03.2022 16:30:00

Как же так получается, что студенты-старшекурсники, приходя в лаборатории, становятся жертвами стереотипов о роли полов: девушки сосредоточиваются на составлении отчетов и организации связей с общественностью, а парни занимаются оборудованием?

>>