Серая энергия

Рисунок Валентина Шункова

Знаменитый венчурный инвестор Винод Хосла когда-то сказал: «Ботаники изобретут будущее». В это сложно поверить. Но очень похоже, что он был прав.

Если бы вы читали климатические новости каждый день в течение последнего года, было бы легко упустить из виду прогресс, достигнутый за этот период. Частично это объясняется рассматриваемым периодом времени: хорошие вещи обычно происходят постепенно, плохие происходят в более короткие промежутки времени. Как ни странно, более эфемерные явления получают больше внимания. Новости о климате такие же: яркий свет делает тени более заметными, но слишком яркий свет делает проблему невидимой. Поэтому важен контраст. Ровно это происходит с серой энергией.

Прежде всего, стоит определиться с самим понятием серая энергия. Речь идёт о полном объёме потраченной энергии на производство продукта, добычу материалов, его составляющих, а также энергетических расходов на транспортировку конечного продукта до потребителя. Само понятие появилось совсем недавно, в связи c необходимостью оптимизации издержек во время энергетического перехода на зелёную энергетику.

Например, фермер, выращивающий урожай из собственных семян в благоприятном климате, должен затратить энергию на производство упаковки и доставку продукта до конечного потребителя. Кажется, все просто. Но в реальности всё намного сложнее, потому что точно подсчитать количество серой энергии для какого-либо отдельного продукта крайне сложно: при выращивании овощей используются пестициды, гербициды, удобрения, сельскохозяйственная техника и т.д. Всё это требует огромных затрат энергии на логистику, добычу ископаемых и их переработку в необходимые продукты.

Большая часть пищевой продукции доставляется в Европу из других стран. Например, говядина экспортируется из Южной Америки и Австралии, а фрукты и овощи из стран Азии. При этом огромное количество энергии затрачивается на транспортировку. Тем не менее, это продолжает оставаться не только экономически, но и энергетически выгодным, так как для производства многих продуктов в Европе потребовалось бы гораздо больше энергии из-за неблагоприятного климата, который требует использования обогреваемых теплиц и искусственного освещения.

Возникает вопрос: неужели оптимизация производства до сих пор была недостаточной? Существует ряд различий. До начала современного энергетического перехода оптимизация происходила в первую очередь с точки зрения финансового результата и элементов протекционизма.

Сейчас, когда человечество столкнулось с климатическим вызовом, на первый план начала выходить проблема энергетическая, напрямую влияющая на выбросы парниковых газов и истощение неосложненно-разрабатываемых природных ресурсов. Поэтому в серой энергии часто не учитывается та потреблённую часть, которая выработана зелёной энергетикой.

Новая экономика

Нужно признать – финансовые потери при минимизации воздействия на окружающую среду неизбежны. Из-за глобального изменения климата человечеству придётся научиться в первую очередь оценивать и оптимизировать расходы энергии, и уже во вторую – экономические прибыли. Соответственно, поменяется и глобальное устройство мировых рынков. Особенно сильная перестройка произойдёт в области высокотехнологичных производств, потребляющих колоссальные объёмы энергии и самые трудноизвлекаемые ресурсы. Энергетический переход непременно вызовет новые торговые санкции – страны начнут отказываться от импорта, использующего для производства неэкологичные виды топлива и будут стремиться к локализации производств для минимизации углеродного следа от транспортировки. Кроме того, производство на собственной территории даёт серьезные преимущества – продовольственную и промышленную независимость. Да и технологическую. Недавние действия США это подтверждают – санкции на часть китайских производителей и договор о строительстве новой микроэлектронной фабрики TSMC на территории США. Промышленная политика Китая меняется в сторону максимального увеличения производственных мощностей до начала самой активной фазы торговых войн.

Впереди нас ждут международные договоры, распределяющие квоты по странам на объём выбросов парниковых газов в атмосферу, и если часть стран не подпишет этих договоров, то торговые санкции будут наиболее жёсткими, а конкуренция за носители энергии наберёт новые обороты. Особую роль будет иметь природный газ, который остаётся самым экологичным видом ископаемого топлива, и в ближайшие годы именно он будет постепенно замещать уголь, являющийся топливом для 40% производимой сейчас в мире энергии (смотри рисунки 1, 2) [1].

Рисунок 1. Мировое производство электроэнергии. Невозобновляемые источники энергии (уголь, газ, нефть) составляют почти две трети от всего производства

Рисунок 2. Прогноз мирового производства электроэнергии по источникам при сохранении текущих темпов развития секторов энергетики.

Энергетическая оптимизация

Одной из самых сложных и важных задач сейчас является оценка объёмов серой энергии в зелёной энергетике: сколько фактически затрачивается серой энергии на производство 1МВт энергии, и как оптимизировать энергетические расходы. Например, объёмы энергии, затраченной на производство солнечных батарей, иногда превышает объём вырабатываемой ими энергии за весь срок службы. Это происходит из-за неразумного размещения батарей – если солнечные электростанции устанавливают в районах с недостаточной инсоляцией либо, когда пренебрегают экологичностью производства солнечных батарей в целях снижения себестоимости. Также часто не утилизируют отходы производств, не фильтруют выбросы и используют самые дешевые виды ископаемого топлива, например, уголь. Такую ситуацию мы видим в наиболее загрязнённых промышленных регионах Китая.

Перевод производств ближе к непосредственным потребителям в данный момент затруднён. Такие районы вырастают, как правило, вокруг мест добычи необходимых для них полезных ископаемых, а лидером по добыче и переработке широко применяемых во всех технологических производствах редкоземельных элементов и элементов платиновой группы является Китай. Таким образом, прежде всего, нужно производить разведку месторождений полезных ископаемых и организовывать их добычу, параллельно занимаясь вопросами экологии.

Особое внимание стоит уделить не только количеству энергии, затраченному на производство и доставку энергетических установок, но и на потери энергии при подаче от места выработки к потребителю. Это включает в себя не только потери на длинных линиях передачи электроэнергии, но и энергию, которая тратится впустую при простое установок или частично теряется в случае запасания энергии в аккумуляторах или тепловом виде для использования в пиковые часы потребления.

Сейчас разрабатываются различные экологичные способы запасания энергии. Например, использование гравитации: во время профицита выработки энергии специальные башенные краны поднимают груз, а во время пиковых часов потребления вырабатывают энергию от груза, автоматически опускаемого под воздействием силы тяжести. Но пока эти способы далеки от промышленной реализации.

Большие потери энергии происходят в пиковые часы потребления, когда энергия перебрасывается из других районов. Скажем, в максимальные часы нагрузки, с Красноярской ГЭС, не считаясь с потерями, часть энергии перебрасывается в Москву, за несколько тысяч километров. Словом, нужно соблюдать баланс между объёмом выработки энергии, её потреблением и потерями на доставку и запасание.

Преимущества России

У России есть уникальная особенность в энергетической сфере – ещё в советское время по различным причинам была заложена энергетическая база, использующая возобновляемую энергию гидроэлектростанций, которые не имеют выбросов диоксида углерода, и АЭС. Оба этих вида энергетических установок имеют серьезное преимущество по сравнению с солнечными и ветряными электростанциями – они работают непрерывно и позволяют регулировать выдаваемую мощность, сглаживая пики потребления. При этом не требуются аккумуляторные станции для запасания энергии, чьё производство само по себе весьма энергозатратно не столько из-за сложности, сколько необходимости переработки и утилизации. Эти станции питают, в том числе, один самых энергозатратных видов промышленности – металлургию.

Так, Красноярская ГЭС обеспечивает питание Красноярского металлургического завода, а Саяно-Шушенская ГЭС питает Саянский и Хакасский алюминиевые заводы и угольные разрезы. Таким образом, на первом этапе развития «зелёной» энергетики, при введении мировым сообществом квот на объём выбросов парниковых газов, Россия может переуступать свою невостребованную часть крупным иностранным промышленным центрам.

Россия занимает шестое место в мире по запасам нефти и первое – по запасам газа. Месторождения с высокой рентабельностью постепенно заканчиваются. Поэтому нефтегазовые месторождения необходимо продолжать развивать, постоянно улучшая энерго-эффективность, показатели которой отстают пока от мировых почти в два раза. Внедрение же современных и уже существующих технологий сможет снизить первичное энергопотребление почти на 30%. Использование ресурсной базы нужно сохранить, как важный элемент будущей энергетической политики.

Важнейшая задача на ближайшие годы – повышение коэффициента эффективности добычи существующих энергоресурсов вместе со снижением первичного энергопотребления с последующей модернизацией энергосистем. Нефтяные компании должны ежегодно выделять около 80% капитальных затрат на то, чтобы не допустить уменьшения собственных запасов. Но за последние шесть лет ежегодные совокупные капитальные вложения мировой отрасли упали с 742 млрд долларов до 340 млрд долларов в 2021 году. Тем не менее, расчеты показывают, что в ближайшие десятилетия необходимые инвестиции в углеводороды всё ещё могут превышать расходы на зелёную энергетику (см. рисунок 3).

Рисунок 3. Необходимые инвестиции в различные области энергетики до 2040 года при сохранении текущих темпов развития.

Для того, чтобы не отстать в энергетической гонке, необходимо уже сейчас активно развивать промышленный сектор и высокотехнологичные производства. Это потребует, помимо финансовых вливаний, дополнительную разработку месторождений редкоземельных элементов, так как в нынешнем состоянии они не покрывают потребности даже существующих производств, а поставки из Китая в будущем могут быть осложнены из-за дефицита на рынке вследствие торговых войн.

Кроме того, уже имея экологичные способы производства большого объёма электроэнергии (ГЭС и АЭС), важно ускорить работу по водородной тематике. Каталитическое разложение воды на водород и кислород требует больших объёмов энергии, но имеет и широкие перспективы, так как существующие электромобили не только потребляют электроэнергию, но и используют аккумуляторы, имеющие большой объём серой энергии. При их производстве используются большие объёмы лития и редкоземельных элементов, требующие серьезных энергетических затрат.

Кроме того, в мире до сих пор полностью не решена большая проблема утилизации и переработки аккумуляторов. Водород сам по себе может стать как экотопливом для транспорта, так и топливом для зелёных энергетических установок в районах, где затруднено по каким-либо причинам развивать другие типы электростанций.

Россия, как самая большая страна в мире имеет и наиболее широкие природные условия по созданию новых отраслей. Более того, в России есть и собственные серьезные разработки, требующие дальнейшего продвижения, а также перспективная научная база.

Петр Леонидович Капица как-то сказал: «Самые важные и интересные научные открытия – это те, которые нельзя было предвидеть». На наш взгляд, задача государства и научного сообщества – помочь это сделать.

Читайте другие материалы журнала «Международная жизнь» на нашем канале Яндекс.Дзен.

Подписывайтесь на наш Telegram – канал: https://t.me/interaffairs