Одними ВИЭ чист
не будешь

Африка — мировой лидер по использованию ВИЭ. Наибольшая доля возобновляемых источников энергии в энергопотреблении — половина всей потребляемой в регионе энергии — наблюдается в Африке, и эта ситуация сохранится до 2040 года, — говорится в «Прогнозе развития энергетики мира и России 2019» Института энергетических исследований РАН и Центра энергетики Московской школы управления «Сколково». Удивительно? Нет, если знать, что при учете к ВИЭ относят также биомассу. Это, например, дрова, гранулы и пеллеты из прессованных древесных отходов, отходы сельскохозяйственных производств (например, жмыхи после извлечения растительных масел), торф, навоз и древесный уголь. Африканские ВИЭ — это именно древесный уголь и дрова.

Получается двусмысленная ситуация. С одной стороны, биоэнергетика учитывается в статистике возобновляемых источников: «В период до 2040 года потребление всех ВИЭ вырастет на 76−115%, при этом во всех сценариях быстрее всего по темпам роста будут увеличиваться НВИЭ (нетрадиционные / новые ВИЭ. — Прим. ред.), а в абсолютном выражении наибольший прирост прогнозируется в потреблении твердой биомассы и отходов — они по-прежнему, как и сотни лет назад, остаются основой энергообеспечения в регионах энергетической бедности», — говорится в отчете «Сколково». С другой стороны, развитие биоэнергетики де-факто означает ускорение вырубки и сжигания африканских лесов. А с учетом того, что конечное потребление энергоресурсов в Африке, по данным исследования МАГАТЭ, должно удвоиться к 2050 году, можно предположить, что и леса будут сводиться куда более высокими темпами.

Пример с африканскими лесами наглядно показывает, что далеко не всегда ВИЭ можно считать безопасными для биосферы и называть их «зелеными» и «экологичными». Но даже если сосредоточиться исключительно на углеродном следе, сжигание древесного угля, равно как и других производных дерева (например, пеллет), никак нельзя назвать безуглеродным источником энергии. По подсчетам ученых из сербского Университета Белграда, каждая произведенная тонна пеллет генерирует 293 кг углекислого газа. Это 29,3% от массы пеллет.

Аналитики «Сколково» иногда все же разделяют биомассу и НВИЭ: «Возобновляемые источники энергии в настоящее время обеспечивают около 15% мирового первичного энергопотребления, но при этом 13% — это гидроэнергия и традиционная биомасса. Доля новых видов ВИЭ (НВИЭ — энергия солнца, ветра, приливов, геотермальных источников, волн и пр.) пока составляет лишь 2%».

Однако в энергетической аналитике так происходит далеко не всегда: «Для увеличения доли возобновляемых источников энергии биогенные ресурсы играют важную роль в замене угля и газа для обеспечения промышленной низко-, средне- и высокотемпературной генерации тепла […] Биомасса считается возобновляемым источником энергии, который представляет собой углерод и, таким образом, дает возможность замещения ископаемого топлива при восстановлении железной руды», — говорится в исследовании МЭА «Потенциал маржи для долгосрочной устойчивой цепочки поставок древесных гранул» (Margin Potential for a Long-Term Sustainable Pellet Supply Chain), которое вышло в мае 2019 года.

В экономически развитой Европе, по данным «Прогноза» МАГАТЭ за 2019 год, доля вовсе не «зеленых» «биоэнергетики и мусора» в общем объеме используемых первичных ресурсов (электроэнергия отдельно) составляет весомые 8%.

Деньги на ВИЭ
По прогнозам «Сколково», именно НВИЭ ожидает наивысший рост: «В перспективе до 2040 года НВИЭ продемонстрируют самые высокие темпы роста среди всех рассматриваемых энергоресурсов — 6,3−8,3% в год в зависимости от сценария — и именно с их дальнейшим развитием связаны самые серьезные трансформации мировой энергетики». Этот вывод подтверждают и другие прогнозы, использованные в исследовании «Сколково»: Platts, Irena, IEA, BP утверждают, что ВИЭ должны расти. Исключение — сценарий Mountain от Shell, предполагающий снижение доли ВИЭ с нынешних примерно 25% до 20% в общем объеме производства электроэнергии.

Действительно ли они будут расти? В 2018 году, по данным МЭА, инвестиции в электроэнергетику, в том числе в ВИЭ, снижались, но незначительно. «Более высокие затраты на поставки нефти, газа и угля были нивелированы более низкими затратами на электрогенерацию из источников на ископаемом топливе и на ВИЭ», — отмечается в исследовании «Инвестиции в мировую ­энергетику» (World Energy Investment 2019).

Одна из возможных причин снижения инвестиций в ВИЭ — удешевление строительства и нормированной стоимости электроэнергии (LCOE).

В первом полугодии 2019 года ситуация для ВИЭ ухудшилась, и сокращением затрат это объясняться не может. Инвестиции в ВИЭ в целом по миру упали на 14% — до $ 117,6 млрд. Для сравнения, во втором полугодии 2017 года они составили $ 160 млрд, говорится в исследовании Bloomberg NEF. Главная причина — сокращение вложений со стороны Китая. По данным исследования, инвестиции Поднебесной в ВИЭ сократились до $ 28,8 млрд. Год назад они составляли почти $ 80 млрд. Одна из возможных причин — Китай установил квоту в 44 ГВт для солнечных электростанций, имеющих право на льготный тариф.

В целом в Европе инвестиции в ВИЭ снизились на 4% по сравнению с первым полугодием прошлого года (до $ 22,2 млрд). Но ситуация развивалась разнонаправленно. В Великобритании рост составил 35% (до $ 2,5 млрд). Напротив, Германия сократила инвестиции в ВИЭ на 42% (до $ 2,1 млрд).

В Германии в том же первом полугодии 2019 года, когда производство электроэнергии из возобновляемых источников достигло рекордных 44%, ввод новых мощностей поставил антирекорд. По информации портала cleanenerwire.com, за этот период было введено только 86 новых турбин. Чистый прирост составил лишь 35 турбин — это на 82% меньше, чем в первом полугодии прошлого года. Издание отмечает, что строительство примерно 2 тыс. турбин общей мощностью около 11 ГВт приостановлено из-за проблем с лицензированием. Ветропарки должны выдерживать минимальные дистанции до жилых районов, аэропортов и их инфраструктуры. Еще одной причиной для переноса запусков стали судебные иски, поданные группами жильцов и экологами.

В США инвестиции в этот же период снизились на 6% (до $ 23,6 млрд).

Возможно, инвестиции в ВИЭ продолжат расти. В конце октября Международное энергетическое агентство (МЭА) выпустило исследование, в котором спрогнозировало стремительный рост ВИЭ, главным образом за счет солнечной электроэнергетики — на 50% всего за пять лет, включая 2019 год. Через год можно будет сравнить прогноз с реальностью.

Обязательные технологии
В исследовании «Сколково» определены семь тенденций, которые должны изменить мировую энергетику и обеспечить энергопереход.

Первая тенденция — повышение энергоэффективности. «Основное последствие внедрения всего комплекса энергоэффективных технологий — замедление темпов роста энергопотребления. За счет роста энергоэффективности у потребителей и в преобразовании энергии для мира открывается возможность стабилизации первичного потребления», — говорится в отчете.

Доля истины здесь есть. Однако об энергоэффективности всерьез заговорили лишь после экономического кризиса 2008 года, когда и промышленным предприятиям, и домохозяйствам надо было срочно сокращать затраты. Падение энергопотребления в 2008 году отчетливо видно на многолетних графиках. Однако в целом оно сравнительно стабильно и отражает не столько усилия в области энергоэффективности, сколько структурную особенность развитой (то есть сервисной) экономики, для роста которой не требуется большой объем дополнительного потребления первичных энергоресурсов (например, тепла или моторного топлива).

Вторая тенденция — электрификация быта, транспорта и промышленности. Речь идет о постепенном внедрении различных видов электротранспорта, об электрификации бытового теплоснабжения (например, для приготовления еды и отопления) и использовании тепловых насосов для низкотемпературных процессов в производстве напитков, фармакологии, текстильной промышленности. Правда, приведенный в исследовании пример с электропечами для производства стали вряд ли связан с четвертым энергопереходом: первая электродуговая печь заработала в 1899 году.

«С 1990 года до настоящего времени уровень электрификации первичного энергопотребления в мире вырос с 31% до 36%, и в перспективе этот тренд продолжится», — говорится в исследовании «Сколково».

Однако если разложить этот тренд на ежегодные изменения, то окажется, что совокупная доля всех видов топлива, использованных для производства электричества, увеличивалась в среднем на 0,18% в год (с учетом роста исходной базы — и того меньше). Это подтверждают и «Прогнозы» МАГАТЭ («Прогноз по энергетике, электрификации и атомной энергетике до 2050» — Energy, Electricity and Nuclear Power Estimates for the Period up to 2050) за 2015 и 2016 годы. В них приведены данные за 2014 и 2015 годы соответственно. В «Прогнозе"-2016 показатель составил 37,3%. В «Прогнозе"-2015 — 37,4% (АЭ не берется объяснить расхождения в данных «Сколково» и МАГАТЭ. — Прим. ред.). В «Прогнозе» за 2019 год доля электроэнергии в общей структуре конечного энергопотребления не изменилась по сравнению с 2018 годом, составив 19% (судя по смене названий показателей и резкой разнице в цифрах, МАГАТЭ изменило методику подсчета, начиная с «Прогноза"-2017). В сегменте «Северная, Западная и Южная Европа» (где правительства наиболее активно поддерживают внедрение электротранспорта) за последние два года доля электроэнергии в общей структуре конечного энергопотребления также не изменилась, составив 24%.

Таким образом, электрификация энергопотребления происходит до сих пор, но темпы ее невелики, и ждать значимых переходов, например, из «топливного» сегмента в «электроэнергетический» в перспективе ближайших нескольких лет сложно.

Третья тенденция — удешевление производства электроэнергии и тепла на основе НВИЭ. «Наибольшее снижение затрат отмечено при выработке электроэнергии на базе солнечных установок (PV, фотовольтаика), где LCOE (удельная дисконтированная стоимость электроэнергии за весь жизненный цикл) 1кВт∙ч сократилась с 2010 года более чем в четыре раза, до 8,5 центов/кВт∙ч для новых проектов, введенных в строй в 2018 году. В сфере ветрогенерации также наблюдается значительное совершенствование технологий, хотя LCOE на производство ветровой энергии снизились не столь существенно». По данным «Сколково», LCOE для ветровых станций снизились примерно в полтора раза.

Четвертая тенденция — развитие технологий накопления и хранения энергии. В исследовании отмечается, что накопители позволяют обеспечивать управляемую выдачу мощности от НВИЭ с неравномерной выработкой (ветро- и солнечные электростанции) и тем самым оптимизировать распределение загрузки в энергосистеме, сократить ввод новых мощностей и снизить потребности в резервных мощностях топливной генерации, расширить зоны распределенной генерации и увеличить возможности потребителей по ценозависимому управлению спросом (demand response). «Можно с уверенностью говорить, что за последние несколько лет от оценок возможности применения различных технологий хранения энергии компании перешли к разработке оптимальных методов интеграции систем хранения энергии в энергосистемы и к разработке конкретных бизнес-моделей применения систем хранения энергии», — отмечают авторы исследования «Сколково».

Проблема в том, что систем накопления электроэнергии даже в самых технологически продвинутых и обеспеченных ВИЭ странах недостаточно — примерно порядка на три. По информации профессора Бранденбургского университета технологий Гаральда Шварца, в Германии емкость больших инверторно-аккумуляторных систем для зарядки и повторной генерации, а также мобильных батарей в электромобилях с технологией V2G (транспорт в сеть) находится в диапазоне сотен МВт∙ч, в то время как необходимы сотни ГВт∙ч. «Вот почему такое расширение займет несколько десятилетий», — отметил он в своей публикации «Will Germany Move into Situation with Unsecured Power Supply?» в Frontiers in Energy (вышла в сентябре 2019 года). По мнению Г. Шварца, еще одна технология для хранения электроэнергии — теплоаккумуляторы сверхвысокой температуры (800−1000 °C) (жидкий металл) в сочетании с индуктивным принципом зарядки и газовыми турбинами для регенерации — все еще находится на стадии фундаментальных исследований. Маловероятно, что она окажет влияние на работу энергосистемы в течение ближайших 20 лет.

Пятая тенденция — водородная энергетика. «Возобновляемые источники энергии могут снизить выбросы углерода в электроэнергетике, в то время как энергообеспечение зданий, транспортный сектор, промышленность во многом остаются „за бортом“ декарбонизации — если не удастся найти новый универсальный энергоноситель. Водород как раз претендует на решение этой проблемы. Его также отличает относительное удобство долгосрочного масштабного хранения и транспортировки на любые расстояния, в том числе с использованием уже имеющейся инфраструктуры, связанной с природным газом», — говорится в отчете «Сколково».

Такую возможность и ее перспективность подтверждает и Г. Шварц. Избытки электроэнергии из ВИЭ, дестабилизирующие энергосистему, можно было бы использовать для электролиза и «преобразования энергии в газ». В качестве второго или третьего шага в систему может быть добавлена технология для преобразования водорода в синтетический метан или другие жидкие среды. И водород, и метан могли бы храниться в газовой сети Германии. В перспективе может быть создана мощная промежуточная система в несколько десятков ГВт между электричеством и газом. Но пока эти проекты, по-видимому, находятся на стадии предварительного обсуждения.

Шестая и седьмая тенденции — повышение управляемости за счет внедрения цифровых и интеллектуальных систем в электроэнергетике и децентрализация соответственно. Они взаимосвязаны, поэтому их можно рассмотреть вместе. «Для энергетики это создает новые возможности — ведь управлять энергосистемами с большой долей децентрализации или проникновения ВИЭ становится все сложнее», — говорится в исследовании «Сколково». Один из главных плюсов автоматизации оборудования, с точки зрения авторов отчета, — возможность контролировать и управлять им через Интернет и постепенное превращение потребителей в активных участников энергосистемы.

В исследовании «Сколково» отмечается, что основным направлением цифровизации в ТЭК станет распространение «умных сетей» и «умных устройств — потребителей электроэнергии», которые сами при необходимости смогут становиться генераторами и выдавать электроэнергию в сеть.

Однако практика даже такой технологически развитой страны, как Германия, показывает, что проблема не в «уме» сетей, а в их наличии. В своей статье профессор Г. Шварц сообщил, что еще в 2004 году Национальное энергетическое агентство Германии (DENA) подготовило исследование, где была обоснована потребность в строительстве 900 км новых линий с напряжением 400 кВ. В июле 2006 года министерство экономики и энергетики Бранденбурга поручило Бранденбургскому техническому университету (BTU) подготовить концепцию расширения сети, необходимой в провинции Бранденбург. Результаты исследования, выполненного в сотрудничестве с местными сетевыми операторами, показали, что необходимо построить 600 км новых линий с напряжением 400 кВ и 1200 км новых линий с напряжением 110 кВ в одной только провинции Бранденбург. Для понимания: это территория вокруг Берлина протяженностью 350 км с севера на юг и 250 км — с запада на восток (1200 км — это расстояние от Москвы до Архангельска). Но и этих сетей, как оказалось, недостаточно. Позднее BTU увеличил свою оценку до 2100 км новых линий с напряжением 110 кВ: для сравнения, это меньше, чем длина энергомоста от Певека до каскада Среднеканских ГЭС (около 1700 км).

В 2010 году DENA представило новое исследование, проведенное в масштабе страны. В нем обосновывалась потребность в строительстве 4500 км новых линий с напряжением 400 кВ. Позднее эти цифры выросли до 10−20 тыс. км линий с напряжением 110 кВ по всей Германии. И план расширения энергосистемы Германии постоянно обновляется.

К сожалению, по наблюдениям профессора Г. Шварца, реальное строительство сетей даже отдаленно не соответствует потребностям. «За последние 10 лет было построено всего несколько сотен километров новых воздушных линий из необходимых нескольких тысяч километров», — признал он. Планирование, утверждение, монтаж и ввод в эксплуатацию новой линии займет 5−10 лет, в некоторых случаях — более 20 лет. Причины — крайне длительные сроки административных процедур и одобрений. В прогнозах сроки строительства всех необходимых сетей оцениваются в 20 лет и более.

При отсутствии сетей большое количество нестабильной генерации из НВИЭ создает серьезные проблемы с диспетчеризацией. Профессор Г. Шварц уверен, что, пока электросети не будут модернизированы в соответствии с новыми требованиями энергетической революции, сетевым операторам придется постоянно перераспределять электроэнергию, произведенную на традиционных электростанциях, или останавливать возобновляемое перепроизводство, просто чтобы поддерживать стабильность электрической системы. EnWG — закон об экономике энергетики в Германии — предоставляет операторам энергосистемы различные механизмы, чтобы заставить независимых производителей электроэнергии корректировать свою подачу в соответствии с требованиями безопасности энергоснабжения.

Конечно, описанные выше нюансы энергосистемы Германии — это лишь один из примеров. Но Германию можно считать мировым ориентиром в сегменте ВИЭ: на ее примере можно изучать процессы в энергетике и технологиях, а также проблемы, с которыми сталкивается энергосистема. И говорить об энергопереходе, строить прогнозы о развитии ВИЭ, не замечая перекосов в энергосистеме, — значит лукавить с самими собой. Наверное, хорошо, когда «умная» система управления электроснабжением в домохозяйстве, самостоятельно участвуя в аукционах, регулирует источники генерации для своих нужд и сама становится генератором. Но нельзя забывать, что электроэнергетика — это инфраструктурный сегмент, поэтому она обязана работать надежно и незаметно для пользователя. Для того чтобы она так работала, надо строить системы передачи, управления и хранения электроэнергии. Да, это описано в исследовании «Сколково», но этого, как показывает практика, нет и в ближайшее время вряд ли появится в нужном количестве даже в технологически развитой и богатой Германии.

Кроме того, если системы передачи, управления и хранения нужны только для того, чтобы ВИЭ стали надежными, то третья тенденция — удешевление новых ВИЭ — оборачивается очередным витком затрат, которые лягут на потребителя. В Германии, по оценкам некоторых экспертов, цена «энергетической революции» уже составила € 400 млрд — плюс еще столько же будут стоить уже подписанные контракты. Цена в Германии на электроэнергию для домовладений — одна из самых высоких в Европе (30−35 центов за кВтч).

Будущее атомной энергетики
При оценках перспектив атомной энергетики в исследовании «Сколково» учтены важнейшие факторы риска для отрасли: «ухудшение экономической ситуации и неприемлемо высокий уровень расходов на реализацию проектов сооружения АЭС, смена правительств, отсутствие дефицита электроэнергии, доступность более дешевых угля и газа и т. д. А стремление оптимизировать затраты в сочетании с технологическим прогрессом и возможностями модернизации позволяют продлевать лицензии на эксплуатацию АЭС».

Приводятся также аргументы в защиту атомной энергетики: «Немаловажным фактором, склоняющим ряд стран в пользу атомной энергетики, является их стремление получить соответствующие технологии и развить собственную научно-производственную экспертизу, а также сама их централизованная регуляторная система, позволяющая осуществлять финансирование столь сложных в чисто рыночных условиях атомных проектов».

С учетом всех этих факторов, собственный прогноз «Сколково» по перспективам атомной энергетики таков: «Мировые установленные мощности АЭС, в зависимости от сценария, вырастут по сравнению с 2015 годом на 45−51% к 2040 году, преимущественно за счет развивающихся стран».

Однако в исследовании не говорится о том, что атомная энергетика — это безуглеродная энергетика. И с точки зрения углеродного следа, она более чистая и «зеленая», нежели, например, сжигаемая «возобновляемая» биомасса. «Германия построила огромные мощности безуглеродных генерирующих мощностей из ВИЭ. В то же самое время существующая безуглеродная генерация с АЭС была исключена из электросети», — отметил профессор Г. Шварц. Двадцатилетние усилия Германии, которая, по последним данным, более 40% своей электроэнергии получает из ВИЭ, не привели к существенному снижению выбросов СО2. А то снижение, которое есть, может объясняться более высокими зимними температурами.

Также в исследовании «Сколково» отмечается, что по мере увеличения мощностей ВИЭ встает вопрос маневренности АЭС. И делается вывод: «Самый безопасный, но достаточно затратный способ решения проблемы — использование внешних накопителей энергии. Альтернатива — изменение нагрузки самих энергоблоков, что на практике возможно, причем различными способами, но ставит дополнительные вопросы в части безопасности, долговечности работы и экономической окупаемости».

К сожалению, авторы отчетов не приводят обоснований в подтверждение своего тезиса. Также непонятно, почему необходимо использовать именно схему «АЭС компенсирует пики, на которые не хватает мощности у ВИЭ». Ведь можно пофантазировать и ­предложить противоположный вариант: с АЭС и накопителями, но без ВИЭ.

Конечно, это фантазия. Но, возвращаясь к примеру Германии, можно вспомнить, что правительство страны установило двадцатилетние гарантии для ВИЭ. Поэтому в 2020—2021 годах планируются первые выводы из эксплуатации устройств в сегментах ветровой и солнечной энергетики. И можно будет обсуждать иные возможности развития энергосистемы, кроме экстенсивного наращивания возобновляемых мощностей, которые по показателю установленной мощности уже перекрывают даже пиковые потребности Германии примерно в полтора раза.

Также в исследовании «Сколково» не рассматриваются новые технологии в атомной отрасли, которые могут повлиять на отношение к атомной энергетике, например АСММ. Напомним, первая плавучая АСММ Росатома — ПАТЭС «Академик Ломоносов» — должна быть подключена к сетям Чукотки до конца 2019 года. АСММ, как и ВИЭ, может использоваться для автономного электро- и теплоснабжения и обслуживать как коммунальные, так и промышленные потребности.

Перспективы безуглеродной, а в будущем (после запуска двухкомпонентной системы) и практически безотходной атомной отрасли напрямую связаны с объемами финансирования.

За примером, иллюстрирующим отношение к безуглеродной атомной энергетике, можно вернуться в Африку. Здесь, напомним, больше половины своих потребностей в энергоснабжении жители обеспечивают, сжигая древесный уголь. Африканский банк развития (African Development Bank) в своем документе «Политика АфБР в сегменте энергетики» (Energy Sector Policy of the AfBD Group) информирует, что банк «сосредоточит свое внимание на подсекторах, которые с наибольшей вероятностью удовлетворят текущие и будущие потребности в энергии, одновременно способствуя развитию сектора устойчивой энергетики». К ним относятся ВИЭ, уголь, нефть и газ, передача и распределение электроэнергии, региональное сотрудничество и энергоэффективность со стороны как предложения, так и спроса. А вот атомная энергетика в этот список не входит: «Финансирование атомных станций не является областью сравнительных преимуществ для банка. Соответственно, банк не будет предоставлять финансирование для этих типов электростанций».

Налицо парадокс: банк готов предоставлять финансирование для проектов по «устойчивому производству и использованию древесного топлива», но на АЭС денег не даст — при том, что АЭС может использоваться не только для стабильной выработки электроэнергии, но и для опреснения воды и обработки сельхозпродукции, которая будет дольше храниться. Распространение атомной энергетики помогает решить самые насущные проблемы Африки: доступ к безопасной воде и еде, а также качественному образованию, новым знаниям и технологиям.

В 2019 году проявились факты и тенденции, свидетельствующие о необходимости пересмотреть подходы к формированию национальных и региональных энергосистем. Строго говоря, неважно, как классифицируется тот или иной вид энергии. Куда важнее, насколько результативно и доступно он решает две задачи: удовлетворить потребности человека и сохранить планету в чистоте.