По информации Института мировых ресурсов (World Resources Institute 1), на получение энергии в мире приходится 76% эмиссии углекислого газа от человеческой деятельности. В их долю входит производство электроэнергии для промышленных и бытовых нужд (30,4% мировых выбросов), сжигание топлива на транспорте (15,9%), в промышленном производстве (12,4%), строительстве и обслуживании зданий (5,5%) и других областях. По итогам 2021 года объем выбросов CO2 в электроэнергетике возрос почти на 7%, достигнув рекордного уровня.
Согласно отчету Bloomberg New Energy Fund (BNEF) 2 «Тенденции энергетического перехода в 2022 году», по итогам 2021 года потребление электроэнергии во всем мире в целом возросло, поскольку мировая экономика восстановилась после пандемии COVID-19.
В соответствии с докладом Международного энергетического агентства (МЭА) о развитии мировой электроэнергетики Electricity Market Report, по итогам 2021 года выработка электроэнергии на основе возобновляемых источников энергии выросла на 6%, несмотря на то, что рост был ограничен неблагоприятными погодными условиями (в частности, для гидроэнергетики). Ветряная и солнечная энергетика впервые произвели более 10% в мировом балансе электроэнергии.
Газовая генерация увеличилась на 2%, а атомная — на 3,5%, почти достигнув уровня 2019 года.
Вместе с тем выработка и выбросы угольных электростанций возросли до новых максимумов, их использование в период с 2020-го по 2021 год увеличилось на 8,5%. Это связано с потребностью многих стран в кратчайшие сроки компенсировать потери из-за засухи и чрезвычайно высоких цен на газ.
В отчете BNEF заявлено, что впервые с 2013 года угольные электростанции внесли основной вклад в рост производства электроэнергии. Уголь продолжает занимать самую большую долю в мировом производстве электроэнергии — 27%, и эта доля продолжит расти в ближайшей перспективе. Лидерами угольной генерации являются Китай, Индия и США, на долю которых приходится 63% всего сжигаемого угля в мире.
Китай занимает первое место по производству электроэнергии на угле, на его долю от общего объема использования угля в мире приходится 52%. На Индию — 11%, США сжигают около 9% угля. Остальные семь стран (Япония, Южная Корея, Индонезия, Южная Африка, Германия, Россия, Австралия), отвечают за 15% электроэнергии, вырабатываемой на угле.
МЭА прогнозирует, что в дальнейшем среднегодовой рост спроса на электроэнергию составит 2,7%. Ожидаемое повышение объемов выработки энергии на основе возобновляемых источников в среднем на 8% в год, должно обеспечить более 90% роста спроса. Также планируется, что производство атомной и газовой энергии в мире будет расти ежегодно ориентировочно на 1%.
Уголь остается одним из основных видов топлива для производства энергии в мире (добыча выросла за последние 20 лет вдвое — до 8 млрд т) в первую очередь за счет сравнительно невысокой стоимости и относительной равномерности распределения его запасов в мире. Планируется, что рост будет сохраняться, по крайней мере, до 2050 года.
Что касается перспектив развития угольной промышленности, они зависят главным образом от политики Китая, так как на долю этой страны приходится более половины глобального потребления угля. Согласно плану развития энергетики Китая на период 2021–2025 гг., доля неископаемых источников энергии в общем объеме энергопотребления увеличится до 20%. В рамках общенационального плана модернизации угольных электростанций планируется, что Поднебесная будет строго контролировать проекты по производству электроэнергии на основе угля, ограничивать рост потребления угля в течение 14-й пятилетки (2021–2025) и постепенно сокращать его в период 15-й пятилетки (2026–2030).
Несмотря на планы по энергопереходу, на фоне возникающего дефицита электроэнергии большинство Европейских стран расконсервируют угольные электростанции. В Китае, Индии и Вьетнаме планируется построить более тысячи угольных объектов энергоснабжения.
Вместе с тем современные технологии атомной, газовой, угольной генерации имеют существенные конкурентные преимущества на уровне затрат на производство тепловой и электроэнергии перед ВИЭ, они в разы экономичнее ветряной и солнечной генерации.
По этой причине цель устойчивого энергетического будущего стоит рассматривать во взаимосвязи реальных проблем социально-экономического развития разных стран, принимая во внимание, что любые технологии по выработке энергии абсолютно экологичными, или «зелеными», не являются (таблица 1).
Таблица 1
Таблица 1. Преимущества и недостатки различных видов энергетики
|
Вид ресурса для выработки энергии |
*Средний показатель жизненного цикла, лет |
*Удельный выброс парниковых газов, г СО2-экв/кВт·ч |
Преимущества |
Недостатки |
||
|
в сфере экологии |
в сфере экономики |
в сфере экологии |
в сфере экономики |
|||
|
Уголь |
40 |
Угольные ТЭЦ 751-1095
Угольные ТЭЦ, применяющие технологии улавливания и захоронения парниковых газов 147-469 |
1. доступны современные технологии, направленные на снижение влияния на окружающую среду, на каждом этапе жизненного цикла; 2. доступны широкие перспективы использования отходов добычи и сжигания топлива в качестве вторичных ресурсов |
1. высокие запасы; 2. стабильные цены; 3. широкий спектр применения; 4. сравнительно невысокая стоимость; 5. низкие капитальные затраты на возведение объектов энергетики |
1. невозобновляемый ресурс; 2. высокая нагрузка на окружающую среду при добыче, транспортировании, производстве энергии (загрязнение воздуха, водных ресурсов, большое образование отходов); 3. образование больших объемов отходов от процессов добычи и сжигания топлива; 4. нарушение земель |
1. сложность добычи; 2. высокая опасность для здоровья и жизни работников угольной промышленности; 3. низкая теплота сгорания топлива; 4. пожароопасность |
|
Газ |
30 |
Газовые электростанции комбинированного цикла 403-513
Газовые электростанции, применяющие технологии улавливания и захоронения парниковых газов 49-220 |
1. экологичность процесса сжигания топлива в сравнении с другими видами ископаемого топлива; 2. небольшой уровень шума при работе объектов выработки энергии |
1. высокая теплота сгорания; 2. невысокие эксплуатационные затраты; 3. надежность; 4. высокий коэффициент полезного действия и долговечность; 5.меньшие сроки строительства и ввода в эксплуатацию объектов энергетики; 6.компактность
|
1. исчерпаемость запасов; 2. нарушение естественного рельефа в период разведки, добычи газа, строительства и эксплуатации газопровода; 3. выбросы парниковых газов в период добычи газа, строительства и эксплуатации газопровода; 4. порча и полное уничтожение растительных культур; 5. образование значительного количества отходов при разработке месторождений, добыче газа, строительстве и эксплуатации газопровода |
1. нестабильность цен; 2. риск утечек, аварий |
|
Нефть |
25 |
720 |
1. доступны современные технологии, направленные на снижение влияния на окружающую среду, на каждом этапе жизненного цикла; 2. доступны широкие перспективы использования отходов добычи и сжигания топлива в качестве вторичных ресурсов |
1.высокое содержание энергии на единицу объема; 2. высокие запасы; 3. стабильные цены; 4.широкий спектр применения; 5.сравнительно невысокая стоимость; 6.низкие капитальные затраты на возведение объектов энергетики |
1. невозобновляемый ресурс; 2. высокая нагрузка на окружающую среду при добыче, транспортировании, производстве энергии (загрязнение воздуха, водных ресурсов, образование отходов); 3.образование существенных объемов отходов от процессов добычи топлива; 4.нарушение земель; 5. ущерб животному и растительному миру |
1. риск утечек, аварий; 2. пожароопасность |
|
Атом |
60-75 |
5,1-6,4 |
1. экологичность в сравнении с ископаемыми видами топлива; 2. применение новых технологий замкнутого цикла по вовлечению накопленных отходов плутона для выработки энергии |
1. высокая плотность энергии; 2. дешевле, чем ископаемые виды топлива; 3. ценовая доступность в сравнении с ископаемыми видами топлива; 4. задействование небольших территорий для возведения объектов атомной энергетики |
1. невозобновляемый ресурс; 2. не может полностью заменить ископаемые виды топлива; 3. добыча урана оказывает существенный вред для окружающей среды; 4. стойкость отходов для переработки
|
1. небольшие запасы; 2. территориальная распределенность запасов; 3. зависимость от ископаемого топлива (уран) |
|
Гидро |
80-100 |
6-147 |
1.практически полная возобновляемость источника энергии; 2.отсутствие токсичных выбросов в атмосферу и отходов |
1.отсутствие необходимости добычи, обработки, транспортировки топлива; 2.высокая надежность; 3.долгосрочная эксплуатация (более 100 лет); 4. невысокие затраты на получение энергии; 5. улучшение условий для орошения и судоходства
|
1.выбросы в атмосферу водяного пара, являющегося вторым (после CO2) парниковым газом по влиянию на глобальное потепление; 2.ухудшение качества воды; 3.заболачивание земель; 4.размывание береговой линии; 5.изменение фауны, миграция животных в затопленных районах; 6.перекрывание рек для нереста рыб; 7.переформирование русел рек; 8.влияние на климат (становится более умеренным) |
1.опасность катастроф с большим количеством пострадавших; 2.затопление больших массивов земель, в т. ч. плодородных; 3.существенные капитальные затраты на возведение объектов гидроэнергетики; 4.ухудшение качества воды |
|
Ветер |
25 |
Ветроэлектростанции наземные 12-23
Ветроэлектростанции офшорные 7,8-16 |
1. отсутствие потребности в ископаемом топливе; 2.отсутствие выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух при работе ветроустановки |
1. отсутствие потребности в топливе; 2.неисчерпаемость ресурсов; 3.быстрота возведения установок; 4.высокая ремонтопригодность; 5.невысокие эксплуатационные расходы; |
1.работа ветряков приводит к массовому истреблению птиц и млекопитающих; 2. издаваемый инфразвук влияет негативно на здоровье людей и животных; 3. вибрация влияет негативно на здоровье животных, что приводит к размножению вредителей; 4.нарушаются маршруты миграции животных и птиц; 5. визуальное загрязнение влияет негативно на здоровье людей и животных; 6. при изготовлении ветрогенераторов используется большое количество полезных ископаемых (никель, медь, литий, графит и др.) и редкоземельных ископаемых (неодим и диспрозий), при добыче которых нарушаются ландшафты, выбрасываются токсичные вещества; 7.легкий и прочный композит сложно поддается переработке; 8. захоронение сложно разлагаемых отходов занимает большие территории |
1. высокие единовременные расходы; 2.нестабильность поступления энергии ввиду зависимости от погодных условий и географического положения, в результате чего приходится использовать совместно с другими источниками энергии; 3.большая площадь изъятия земель; 4. низкое КПД использования (не более 30%); 5. дорогостоящие способы утилизации отработанных частей ветроустановок |
|
Солнце |
25 |
Солнечные электростанции (СТЭС, CSP) 27-122 Солнечные электростанции (фотовольтаика, PV) 8-83 |
1. отсутствие потребности в ископаемом топливе; 2. отсутствие выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух при эксплуатации гелиоустановок; 3. отсутствие шумового загрязнения; |
1. отсутствие потребности в топливе; 2. неисчерпаемость ресурсов; 3. не требуется возведение линий электропередачи, хранилищ топлива; 4. низкие эксплуатационные затраты;
|
1. технологические процессы изготовления солнечных панелей сопровождаются выбросом парниковых газов, трифторида азота, гексафторида серы и пр.; 2. при производстве образуются побочные продукты, вредные для окружающей среды; 3. отсутствие технологий переработки опасных отходов производства |
1. высокие капитальные затраты; 2. для производства солнечных панелей требуется большое количество энергии; 3. зависимость от времени года, времени суток, погодных условий и географического расположения; 4. для установки требуются большие участки земель; 5. низкий КПД; 6. низкая плотность энергии; 7. применение при производстве редких и дорогостоящих компонентов; 8. высокая стоимость аккумулирования энергии; 9. отсутствие широко распространенных технологий переработки опасных отходов производства |
Источник: *Информация, опубликованная в рамках 26-ой конференции Организации Объединенных Наций по изменению климата (Глазго (Шотландия), 2021 г.) COP26 по результатам международного исследования эмиссии парниковых газов на разных объектах генерации в 2019 и 2020 годах. Оценка учитывает выбросы на протяжении всего цикла производства энергии.
К примеру, на нефтегазовый сектор топливно-энергетического комплекса приходится более половины объема выбросов метана, на угольный — около трети. К экологическим проблемам атомной энергетики относится использование методов добычи урана. Развитие энергетики на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ) требуют дополнительного использования невозобновляемых ресурсов, энергоемких производств, внедрения нестандартных методов переработки элементов ВИЭ. В частности, в солнечной энергетике риски связаны с использованием токсичных и взрывоопасных компонентов при изготовлении и утилизации солнечных батарей. К числу экологических трудностей, характерных для реализации проектов использования энергии ветра и эксплуатации ветроэнергетических установок, относится негативное влияние на живые организмы за счет изменения среды обитания (шумовое, световое загрязнение, электромагнитное излучение и пр.). Кроме того, захоронение неперерабатываемых лопастей ветроустановок приводит к деградации значительных территорий.
Учет воздействий на окружающую среду на всех стадиях показывает, что переход к возобновляемой энергетике не всегда ведет к снижению загрязнения природной среды, в том числе к снижению эмиссии парниковых газов.
Исследования побочных эффектов (в том числе экологических) возобновляемой энергетики в комплексе имеют сравнительно недавнюю историю, а в последнее время об этом заговорили активнее в связи с выводом из эксплуатации первого поколения объектов гелио- и ветроэнергетики.
Одна из заметных работ в этой сфере — публикация норвежского исследователя, научного сотрудника и руководителя проектов Западно-норвежского исследовательского института (Western Norway Research Institute, WNRI) Отто Андерсена «Непреднамеренные последствия возобновляемой энергетики. Проблемы, требующие решения». Его работа использует ранее собранную разными исследователями информацию по отдельным видам энергии и регионам, на основе которых выстраивается обобщенная картина экологических рисков возобновляемой энергетики.
Ключевые подходы связаны с анализом жизненного цикла и оценкой так называемых «встречных эффектов» или «обратных эффектов».
Основное внимание с позиций анализа жизненного цикла и встречных эффектов уделено биоэнергетике (выращиванию энергетических культур для производства биотоплива), солнечной фотовольтаической энергетике, некоторым аспектам водородной энергетики и использованию электромобилей.
Причины, по которым эмиссия парниковых газов может достигать высоких значений для жизненных циклов гидроэлектростанций, солнечных, биоэнергетических и геотермальных станций, различны. В случае с ГЭС это прежде всего формирование водохранилищ, в которых может создаваться застойный режим с микробиологическим разложением органического материала, что вызывает рост эмиссии парниковых газов. Сходные процессы возможны и в зонах приливных электростанций.
Даже при использовании биоэнергии эмиссия парниковых газов образуется на всех стадиях. В первую очередь на этапе выращивания энергетических культур. Интенсивная их культивация требует большого количества азотных удобрений, что ведет к росту эмиссии мощного парникового газа и разрушителя озонового слоя — двуокиси азота.
Бесспорно, что объемы эмиссии парниковых газов в жизненном цикле возобновляемых источников энергии остаются недооцененными. Поэтому дальнейшее наращивание производства энергии за счет ВИЭ требует создания полных производственных циклов, где производство возобновляемой энергии обеспечивается из возобновляемых же источников.
В связи с этим очевидно, что снижение углеродоемкости энергетики возможно лишь с учетом комплексной оценки преимуществ и рисков каждого вида используемых ресурсов.
При этом существенное значение в декарбонизации топливно-энергетического комплекса приобретает атомная энергетика с обеспечением внедрения новых технологий генерации на базе линейки АЭС малой мощности и реакторов на быстрых нейтронах с замкнутым топливным циклом, а также гидроэнергетика, в том числе через реализацию проектов гидроаккумулирующих станций и развитие малой гидроэнергетики.
На пути к низкоуглеродному будущему природный газ с учетом его запасов — как наиболее чистое топливо — сохраняет свое значение как переходное топливо, вытесняющее углеродоемкие ресурсы. Увеличение доли СПГ в мировой торговле при условии низкоуглеродных ограничений в логистических системах и производственных процессах также снизит углеродоемкость отрасли.
Снижение негативного воздействия на окружающую среду от угольной генерации может быть достигнуто путем перехода к использованию марок угля с меньшим содержанием серы (в России добывается именно такой, более экологичный, уголь по сравнению с углем из Индонезии и Австралии), выбросы вредных веществ при использовании которых значительно ниже, чем в случае применения рядового угля.
Также значимым направлением является модернизация угольных ТЭЦ с переходом на наилучшие доступные технологии. В процессах добычи угля приоритетными являются мероприятия по предварительной дегазации угольных месторождений с эффективным использованием метана угольных пластов. В процессах получения электро- и теплоэнергии — современные технологии с низким потреблением угля, существенным сокращением выбросов и большей отдачей энергии, увеличения КПД — поднятие температуры и давления пара с помощью «котлов сверхкритического давления» и пр. Все это позволяет значительно снизить углеродоемкость угольной отрасли промышленности, не ухудшая экономических показателей.
Основные меры по декарбонизации нефтедобычи связаны с повышением энергоэффективности технологий добычи и транспортировки.
Неоспоримо, что достижение баланса энерго-экологической безопасности и доступности энергии для всех слоев населения при использовании всех видов генерации возможно исключительно при внедрении принципов экономики замкнутого цикла и перехода к наилучшим доступным технологиям.
1 Глобальная исследовательская некоммерческая организация, созданная в 1982 году при финансовой поддержке Фонда Макартуров под руководством Джеймса Густава Спета. Деятельность WRI сосредоточена на семи областях: продовольствие, леса, вода, энергетика, города, климат и океан.
2 Bloomberg New Energy Fund (BNEF) — Агентство промышленных исследований.
Фото на обложке: Karsten Würth / Unsplash
