Еще раз о жизни после нефти
Беседа aenergy.ru с Плехановым Сергеем Ивановичем, генеральным директором НПП КВАНТ.
Редакция: Сергей Иванович, в прошлый раз мы с Вами говорили об энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ). Речь шла о периоде до 2020г. Мы остановились на том, что доля «солнечного» электричества в общемировой выработке эл.энергии к 2020 г. составит 4-7%, а в Европе 12%. А что может быть после этого? В последнее время громко звучат разговоры, часто апокалиптические, о кризисах, о необходимости смены всей парадигмы развития сегодняшней энергетики.
Сергей Плеханов: Хорошо, что мы заговорили сразу о временных интервалах. Сколько споров прекратилось бы, не начавшись, если бы оппоненты вначале определились бы, о каком горизонте планирования они спорят. Вы правы, итоги нашего прошлого обсуждения можно иллюстрировать графиком - доля нефти и угля падает, доля ВИЭ растет, но развитие происходит достаточно плавно, без скачков.
Рис. Динамика развития энергоносителей до 2030 г (Источник - ВР, 2012)
Однако, говоря о дальнейших периодах развития, приходится принимать в расчет более опасные тенденции. Все, что повседневно использует человечество- от электрического освещения до телевизоров с плоскими экранами и iPhone - зависят от нашей способности выкачивать, выскабливать или вышибать с помощью взрывов из Земли ее ресурсы. Современная жизнь обеспечивается за счет природных ресурсов. Ресурсы заканчиваются. Увы, это - не нагнетание страха «пророками» конца света. Мир стремительно несется к тому, что многие сегодня называет «кризисом истощения природных ресурсов», заставляя правительства и корпорации вступать в гонку за тем, что осталось. 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.
Редакция: Уж сколько существует публикаций по этому поводу. Да и спекуляций - огромное количество…
ПС: Да, поскольку по этой теме существует крайне много политизированных спекуляций, уточним: нефть не иссякнет моментально (Рис.). Углеводородов на Земле много и в каком-то виде они будут всегда.
Рис. мировая нефтедобыча в 1900-2080 (Источник)
Через ~20-30 лет 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. 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 - EROEI - коэффициент отношения энергии на выходе и на входе. В 60-х гг. ХХ века на каждую единицу энергии, вложенную в добычу, получали 100 единиц энергии нефти. В 90-х гг. ХХ века “обычная” нефть обладала коэффициентом EROEI приблизительно 30, в 2000-м - только 20, а сейчас EROЕI колеблется между 1,5 и 1 для большинства новых месторождений. Даже если учесть в прогнозах добычу «тяжелой» нефти из нефтеносных песков, теоретическую возможность разработок газовых гидратов, это не изменит ситуацию принципиально. Требуется огромное количество энергии для того, чтобы нефть из нефтеносных песков и превратить в жидкость. Самые оптимистичные исследования прогнозируют пик выработки нефти из битумных песков на уровне 4 млн. баррелей в день к 2020-му году. Если рассматривать 4 млн. баррелей в контексте мирового спроса, уже сегодня составляющего 85 млн. баррелей ежедневно, а с каждым годом этот показатель увеличивается на 2-5 млн. баррелей, то озабоченность становится понятной. Поэтому, освоение «нетрадиционных» углеводородных ресурсов, видимо, лишь отодвинет пик их мировой добычи на середину текущего века.
Редакция: А что думают ученые по этому поводу? Если проблемы есть, то они, видимо, не только связаны с нефтью?
ПС: Большинство проблем, в конечном счете, упираются в энергию. Можно вспомнить общую компьютерную модель взаимодействия биосферы Земли и современной техносферы, разработанную в 1972 г. математиками из Массачусетского технологического института (MIT). Из нее следовало, что в условиях сокращения невозобновляемых ресурсов Земли, роста затрат на их добычу, существования различных др. ограничений, численность человечества, пройдя пик в 2030 г., может начать снижаться между 2050 и 2100 гг. (Рис.) Производство продуктов питания требует огромного количества энергии, а также удобрений, пестицидов и гербицидов, которые являются производными нефти и природного газа. Сельхозтехника производится при помощи полученного из нефти топлива и работает на нем же. Нужно много воды для орошения полей. Невозобновляемые ресурсы становятся все более редкими и дорогими, и неясно, сможет ли мир предоставлять все больше продовольствия людям.
Эта модель подвергалось критике с момента ее появления. Но, что удивительно, все фактические данные, получаемые за время ее существования, неизменно подтверждались. Недавно, в 2012 г. австралийский физик Graham Turner проделал это в очередной раз. Его основные результаты подтверждают базовые выводы опасности «неограниченного роста по существующей модели».
Рис. Динамика изменения невозобновляемых ресурсов и численности по MIT-модели (источник)
Редакция: Похоже, нас ждут серьезные изменения политического и экономического ландшафта…
ПС: Да, 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. Китай, Индия, Южная Корея, Саудовская Аравия и ОАЭ покупают крупные участки земли для фермерства в Африке, но не для того, чтобы накормить африканское население, а для производства пищи и ее транспортировки домой. С 2002-го года для производства одной калории пищи, требуются десять калорий ископаемого топлива. С наступлением эпохи массовой индустриализации и пост-индустриализации, с включением Индии и Китая в техносферу, ресурсный коллапс стал ближе. Влияние государств, обладающих теми или иными природными ресурсами, усиливается, одновременно усиливается и нажим на эти государства со стороны прочих. Совсем недавно Россия и Норвегия «играли мускулами» в Беринговом море, но пока этот вопрос разрешен. Большое напряжение сейчас существует в Восточно-Китайском и Южно-Китайском морях, где идет спор о шельфовой разработке нефтяных и газовых месторождений - мир наблюдает за морскими столкновениями между Японией и Китаем, а также между Китаем, Вьетнамом и Филиппинами. А в 2012 г. президент Обама заявил, что США будут активнее участвовать в этом регионе.
Редакция: А каковы вообще потенциальные источники энергии для человечества? Вряд ли их очень много?
ПС: Это - ископаемые невозобновляемые источники - основа современной промышленности, атомная энергия, термоядерный синтез, возобновляемая энергетики (приливная, геотермальная, солнечная, ветряная, гидро), ну и, наконец, для полноты картины, вспомним «неизвестные ныне принципы». Рассмотрим их по порядку.
Ископаемые невозобновляемые источники
Если сопоставить остающиеся в распоряжении человечества ископаемые энергоресурсы и возможные сценарии развития мировой экономики, демографии и технологии, то это время, в зависимости от степени оптимизма авторов, составляет от нескольких десятков до одной сотни лет. В исследовании, проведенном в 2010 г. The Oil Drum, пик поставок всех видов ископаемого топлива прогнозируется к 2018 году, а с 2025 года намечается длинный спад. Если посмотреть на современную разработку месторождений, будь то глубоководная разработка в Арктике или сланцевый газ и сланцевая нефть, то становится понятно, что инвестиции и связанные с добычей риски для окружающей среды вышли на беспрецедентный уровень. Это демонстрирует пример с гидравлическим разрывом пласта, во время добычи сланцевого газа в США в 2011 г., в ходе которого выделилось огромное количество токсичной отходной воды вблизи густонаселенных районов на Северо-Востоке США. Или, например, шельфовое бурение. Катастрофа платформы Deepwater Horizon компании ВР в Мексиканском заливе показала, чем оно чревато.
Рис. 4. История добычи углеводородных ресурсов и использования ВИЭ в истории человечества
( █ - добыча углеводородов, приводится по Charles McCombie, NAGRA Bulletin #29, 1997
- развитие ВИЭ, показано условно)
Атомная энергия
Ядерные реакторы на тепловых нейтронах - основа современной мировой атомной энергетики. Главная причина беспокойства - ограниченное количество дешевых месторождений урана. Во многих странах создаются стратегические запасы. График иллюстрирует различные прогнозы в отношении истощения запасов урана, исходя из 3, 5 или 8-процентного ежегодного роста потребления. В настоящее время добыча урана чрезвычайно сильно отстает от спроса. По мере оскудения запасов нефти, уран как ресурс будут эксплуатироваться все больше. Все три сценария предсказывают примерно одинаковый ход событий - к 2020-му мы имеем серьезный дефицит урана.
Рис. Прогноз снижения запасов урана (источник)
Серьезной проблемой являются транспортировка топлива, а также конструкций самих АЭС, срок службы которых составляет 30 - 40 лет. Проблема, о которой мало говорят честно - захоронение радиоактивных отходов (ОЯТ), технически 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). Экспериментальные реакторы на быстрых нейтронах появились в 1950-е годы, в 1960-80-е годы работы по созданию промышленных реакторов на быстрых нейтронах активно велись в США, СССР и ряде европейских стран. К началу 1990-х большинство этих проектов было прекращено из-за риска аварий и высоких эксплуатационных затрат. Кроме того, технология опасна с точки зрения распространения ядерного оружия.
Термоядерный синтез
Здесь 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. Мы до конца не понимаем природу вакуума. Само пространство или «физический вакуум» имеет внутреннюю структуру, следовательно, может служить источником энергии, если организовать процесс изменения его структуры. Но сегодня даже у завзятых оптимистов нет ни малейшего основания полагать, что в ближайшем будущем (вспомним, что мы говорим о конкретном временном интервале от 50 до 90 лет) человечеству удастся «открыть» кладовую бесконечной энергии. К сожалению, спекуляций на эту тему в последнее время становится больше. Видно, сказывается ожидание кризиса…
Возобновляемая энергетика
Альтернативная энергетика создала человечество - человек использует огонь с момента появления Homo Sapiens, потом научился использовать ветер, энергию воды и проч. До 17 века солнечная 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. Сегодня технологии использования различных ВИЭ достигли коммерческой зрелости и успешно конкурируют на рынке энергетических услуг. 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. 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%. Технически это возможно и о этом ранее подробно рассказывалось в статье.
Редакция: Традиционно говорят о дороговизне ВИЭ. Как быть с этим?
ПС: 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.
Редакция: А что можно сказать о надежности ВИЭ?
ПС: Альтернативная энергетика надежнее обычной. В 2011 г. после серьезных аварий в сетях штата Техас, США, когда отказали несколько станций, от «блэкаута» Техас спасли ветряки, о чем заявил глава энергетической комиссии штата.
Редакция: Еще больше говорят о необходимости дотировать ВИЭ.
ПС: Известны данные по США. Там 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). Думаем, по другим странам, включая Россию, ситуация аналогичная, хотя ни Газпром, ни Росатом предпочитают об этом не говорить.
Редакция: Кстати, а каковы запасы и перспективы России?
ПС: По мнению экспертов Министерства природных ресурсов РФ, для безудержно экспортирующей свои углеводороды России, нефти, существующих на сегодняшний день, хватит на 20-25 год, газа - на 80-90 лет, запасов урана хватит до 2017 г. Веский аргумент в пользу альтернативной энергетики в России - ее географические особенности. Они наглядно демонстрируют недостатки существующей централизованной системы. Россия велика, а добыча первичных энергетических ресурсов сосредоточена лишь в отдельных регионах. Кроме того, многие удаленные регионы (на Крайнем Севере, Дальнем Востоке, в Сибири) не подключены к сетям энергосистем, и доставка топлива в них сильно увеличивает его стоимость. А ведь в таких районах проживает около 10 млн. человек. Кстати, если вспомнить о необходимости создания в России 20 млн. рабочих мест, то заметим, что альтернативная энергетика создает в 3 раза больше рабочих мест, чем обычная (Доклад «Института политических и экономических исследований Массачусетского университета», 2011).
Редакция: наверное, для обсуждения таких вопросов важно понять динамику развития потребления энергии в будущем?
ПС: Большинство экспертов сегодня сходятся в том, что потребление энергии на человека и развитых и в развивающихся странах к ~2100 г. сблизится, а общая потребность в энергии выйдет «на плато», достигнув величины около 20 млрд т.у.т. (см. - Бушуев В.В., Ин-т энергетической стратегии, 2010). И еще - сегодня в нашей жизни мы используем колоссальные по энергозатратности машины, требующие строительства все новых ТЭЦ, АЭС. Но, учитывая все ресурсные и экологические ограничения, в ближайшем будущем перед человечеством неизбежно встанет задача - создание новых технологий и систем использования энергии, замена сегодняшнего щедрого энергопотребителя системами, воспроизводящими объекты живой природы. Природа использует и запасает солнечную энергию через процесс фотосинтеза. В солнечной энергетике мы моделируем природный процесс переработки солнечной энергии, используем модельную полупроводниковую структуру. Но природе хватает солнечной энергии, а нам пока нет. Природа - экономный энергопользователь, она использует каждый квант солнечного света, ей вполне достаточно фотосинтеза. Из этого следует, что при достижении к.п.д. 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. Будут экстренные саммиты, дипломатические инициативы, срочные попытки геологоразведки, но сумятица не утихнет.
Редакция: Известно, что существенными недостатками солнечной энергетики являются нестабильность (суточная, сезонная, погодная) и относительно малая плотность энергетического потока - на земной поверхности в среднем за год от 150 до 250 Вт/м2.Разве эти «особенности» солнечного излучения не затрудняют создание эффективных энергетических устройств, поскольку обусловливают необходимость сооружения приемников солнечного излучения повышенной площади и создания аккумуляторов энергии.
ПС: Солнечные станции должны иметь накопитель, позволяющий выравнивать сезонные и часовые колебания выработки. Представляется, что научному сообществу необходимо поставить цель, например, - за 10 лет добиться уд.энергии аккумуляторов 1000 Втч/кг на 10000 циклах заряда-разряда. Эти цифры не являются чем-то фантастическим и по отдельности они достигнуты на ряде разработок. По мере роста эффективности накопителей (плотности запасаемой энергии) ключевое значение приобретает безопасность применения. 1000 Втч\кг - это величина уд.энергии аккумулятора, вполне сопоставимая с углеводородным топливом. 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. Для перспективных аккумуляторов очень важное значение имеет обеспечение требуемых режимов заряда - разряда и, соответственно, контроля состояния аккумуляторов. Именно поэтому для контроля заряда-разряда представляется эффективными использовать разработанный на КВАНТе 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.
Этот рынок уже начал развиваться. Компания Siemens в текущем году вышла на быстрорастущий рынок крупномасштабных систем аккумулирования энергии с новой модульной системой Siestorage, которая позволяет коммунальным компаниям добиться необходимой масштабируемости и вносить коррективы по мере необходимости. Система хранения энергии на базе литий-ионных аккумуляторов Siestorage в базовой комплектации способна хранить до 16 кВт/ч электроэнергии. Емкость может быть расширена до 2 МВт. Модульная система емкостью 500 кВт достаточно мала, чтобы вписаться в стандартный грузовой контейнер, и может хранить объем электроэнергии, достаточный для удовлетворения среднесуточных потребностей 50 домашних хозяйств. Система хранения энергии Siestorage имеет максимальную выходную мощность 8 МВт. Siemens уже установила систему Siestorage емкостью 500 кВт на энергоблоке Enel - крупнейшей энергетической компании Италии. Коммунальная компания использует систему хранения энергии, чтобы помочь интеграции в сеть солнечных ферм и станций зарядки электромобилей.
В 2011 г. в Китае была изготовлена самая большая в мире аккумуляторная батарея. Компания BYD по заказу государственной энергетической корпорации Китая (SGCC) построила батарею, емкость которой составляет 36 МВт•ч, а размеры превышают площадь футбольного поля. Накопитель создан для хранения энергии от комплекса из ветровых и солнечных электростанций на севере Китая в округе Zhangbei. Пиковая мощность комплекса - 140 МВт, и использование такого накопителя повышает эффективность использования ВИЭ на 5-10 %.
В 2011 г. Panasonic начала поставки литий-ионных аккумуляторных батарей для нужд немецкой компании E3/DC, которая разрабатывает и производит бытовые системы хранения энергии S10. В 2012 г. Panasonic готова к массовому производству таких батарей. Литий-ионная батарея, о которой идет речь, состоит из аккумуляторного модуля с номинальной мощностью 1.35 кВт/ч и системы управления. Аккумуляторная система Panasonic сохраняет избыток энергии, вырабатываемой солнечными батареями во время часов пик генерации электричества, и выдает его по мере необходимости.
У энергетиков Германии есть практический опыт: интеграция возобновляемых источников энергии, таких как ветровая и солнечная, в электросети может привести к нестабильности в распределении электричества из-за их непредсказуемого характера. В стране на середину 2010 года было установлено 26 ГВт ветряков. Наиболее характерное значение суммарной генерации - 5 ГВт. Однако, когда благодаря ветреной погоде был зафиксирован рекорд генерации - 20 ГВт - энергетические компании были вынуждены закрыть передачу электроэнергии за пределы страны, поскольку электросети соседних стран не могли бы справиться с такой мощностью.
Предложенный Panasonic механизм, в перспективе позволит домохозяйствам и корпорациям снизить зависимость от электросети и будет способствовать дальнейшему распространению экологически чистой энергетики.
Редакция: Итак, наиболее важные выводы на Ваш взгляд?
ПС: 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 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.
В основе ВИЭ, видимо, будет лежать фотовольтаическая энергетика, поскольку др. виды энергии имеют более выраженные географические привязки и ограничения. Приливная энергетика технически реализуема только в прибрежных районах, а геотермальная - только в некоторых странах, где есть достаточное количество геотермальных источников. 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.
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.
Несмотря на недостатки, присущие ВИЭ, «энергетическая корзина», состоящая из них, могла бы поддерживать мировую экономику на плаву. Для этого необходимо появление рационально мыслящих и честных лидеров, способных управлять этим переходным процессом, который растянется на целое поколение.
Вопрос развития ВИЭ - это не только вопрос энергетики. Миссия ВИЭ заключается в 3 задачах: экологической, экономической, цивилизационной. Главное - в головах. Предстоит изменение сознания в вопросах генерации энергии и использования ресурсов. Этот процесс начался, и будет нарастать - от соревнования «мощи ресурсов» мы переходим к «соревнованию мозгов» в энергетике.