Неустойчивая замена: может ли Европа обойтись возобновляемыми источниками энергии

Любовь европейских политиков к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) подогревается не только заботой об экологии и климате, но и стремлением к независимости от российских энергоносителей. Украинский кризис многократно усилил это желание, особенно после требования России платить за газ рублями. Однако отказаться от голубого топлива —задача на десятилетия.

Жать на газ

Идея полностью заменить российский газ возобновляемыми источниками энергии сейчас не выглядит реалистичной. В 2020 году ЕС потребил около 16 млн тераджоулей (ТДж) газа в пересчете на энергию сжигания, а добыл при этом менее 2 млн ТДж. Около 23% всего импорта газа в ЕС обеспечила Россия — это второй результат после Норвегии с ее 25%. Четверку главных поставщиков замыкают Украина (13%) и Беларусь (10%), поставки из которых — это по сути перепроданный российский газ. 

Альтернативные источники энергии — это в основном солнце, ветер и биотопливо. Но производство биотоплива требует посевных площадей. Вряд ли при растущих ценах на продовольствие кто-то решится сажать рапс вместо пшеницы. Поэтому сосредоточимся на альтернативой электроэнергетике.

В 2019 году валовое производство электроэнергии в ЕС составило 2900 ТВт∙ч, из них 22% было получено из возобновляемых источников (включая гидрогенерацию). Чтобы заменить «альтернативным» электричеством энергию, получаемую из российского газа, европейцам пришлось бы увеличить возобновляемую генерацию в 2,4 раза. Это вряд ли возможно в ближайшие годы.

При этом получить нужную энергию мало — нужно довести ее до потребителя. Газ используется не только на газовых электростанциях (21% всей электрогенерации в ЕС), но и для отопления, работы промышленных предприятий и т. д. Чтобы заменить всю «газовую» инфраструктуру на «электрическую», потребовались бы колоссальные затраты.

Таким образом, в ближайшие годы возобновляемые источники могут несколько потеснить российский газ на рынке, но никак не заменить его.

А что в долгосрочной перспективе? Могут ли альтернативные источники энергии заменить собой ископаемое топливо хотя бы в производстве электроэнергии?

Не касаясь экологии, углеродного следа и экономической рентабельности, обсудим более простой вопрос: могут ли возобновляемые источники бесперебойно обеспечивать нужное количество энергии? 

К солнцу на крыльях ветра

Среди энергоскептиков циркулирует миф, что время энергетической окупаемости (energy payback time) солнечных и ветровых генераторов превышает срок их службы. Другими словами, за всю «карьеру» они вырабатывают меньше энергии, чем требуется для их изготовления. А значит, альтернативный генератор всего лишь аккумулирует в себе энергию традиционных источников, да еще и с существенными потерями. 

Возможно, на заре отрасли так и было, но с тех пор картина изменилась. Так, по данным Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США, солнечные батареи окупаются по энергии за три-четыре года при сроке службы 20-30 лет.

Схожие цифры относятся и к ветроэнергетике. Еще в 2010 году был опубликован метаанализ 50 исследований, проведенных в период с 1977 по 2007 год и охвативших 119 моделей ветрогенераторов. Несмотря на большой разброс данных, получилось, что за время работы ветряк вырабатывает в среднем в 20–25 раз больше энергии, чем требуется для его изготовления. В 2014-м вышла работа, в которой время энергетической окупаемости двух моделей ветрогенераторов оценивалось в пять–шесть месяцев.

Таким образом, солнце и ветер действительно дают новую энергию. Другой вопрос, хватит ли этой энергии на всех, или кто-то уйдет обиженным.

Полтора года назад ученые из США и Китая попытались дать ответ на страницах журнала Nature Communications. Они проанализировали солнечные и ветровые ресурсы 42 стран со всех континентов по наблюдениям за 39 лет (с 1980 по 2018 год). Далее исследователи вычислили, сколько энергии можно было бы получить из этих ресурсов, и сравнили с потребностями упомянутых стран в электричестве. Авторы особо подчеркнули, что их интересовали принципиальные геофизические ограничения, а вовсе не экономика или геополитика.

Спрос и выработку электроэнергии эксперты учитывали не в среднем за год, а вразбивку по времени года и суток. Они учитывали, что солнечные батареи работают только днем, зато ночью сильнее ветер, что зимой меньше солнца, но больше ветра, и т. д.

Специалисты рассмотрели несколько моделей солнечно-ветровой энергетики. В простейшей из них энергия не запасалась и вырабатывалась без избытка. Тогда солнце и ветер могли обеспечить только 72–91% (в среднем 83%) спроса на электроэнергию. То есть обойтись совсем без традиционных источников энергии все-таки не получилось.

Самые надежные (в смысле вероятности перебоев) схемы генерации, достижимые в этой модели, всегда требовали больше ветра, чем солнца. Доля ветровых генераторов в общей солнечно-ветровой мощности колебалась от 65% для залитых солнцем Алжира и Египта до 85% для северных России и Канады, а в среднем составила 73%.

Во вторую модель была добавлена возможность запасать энергию, выработанную в течение трех или 12 часов. Естественно, это улучшило показатели. Система с 12-часовым хранением могла бы удовлетворить 83–94% (в среднем 90%) спроса на электроэнергию. При этом оптимальная доля солнечной энергетики сильно менялась от страны к стране — от 10 до 70%.

Другим способом удовлетворить спрос оказалась избыточная генерация. Если вырабатывать в год в 1,5 раза больше энергии, чем нужно, то даже в самые плохие часы ее, скорее всего, хватит для потребителей. Неудивительно, что такие системы удовлетворяли 83–99% (в среднем 94%) спроса. А добавление к этой избыточной генерации еще и 12-часового хранения позволило бы удовлетворить спрос на 89–100%, в среднем на 98%.

Еще лучших результатов можно добиться, если интегрировать солнечно-ветровые системы в масштабах континентов. Тогда энергия могла бы перетекать оттуда, где ее слишком много, туда, где ее не хватает. Впрочем, в эпоху геополитических бурь о единой континентальной энергосистеме остается только мечтать.

Однако лететь на крыльях ветра в солнечные дали рановато. Надежность в 98% хороша только на первый взгляд. Два процента неудовлетворенного спроса — это 175 часов без электричества в год. Между тем стандарты надежности электросети в развитых странах допускают отключения не более чем на два-три часа в год. Чтобы залатать эту дыру, понадобятся резервные мощности, которые большую часть времени будут простаивать.

Кроме того, вырабатывать в 1,5 раза больше энергии, чем нужно (и, значит, треть ее тратить «в молоко») — тоже не слишком экономично. Наконец, где запасти энергию на 12 часов потребления? Как отмечают авторы, для одной только Германии это 0,7 ТВт∙ч, что более чем втрое превышает емкость всех произведенных литиево-ионных аккумуляторов.

Резюмируем. Доля солнечной и ветровой генерации в энергетическом балансе Европы и планеты в целом, вполне вероятно, будет нарастать. Но даже если уставить всю Землю ветряками и солнечными панелями, совсем отказаться от традиционной электрогенерации не получится. Или получится, но с серьезными потерями. Чтобы сделать солнечно-ветровую энергетику хотя бы минимально надежной, нужны новые технологии хранения энергии, которых сейчас нет, и неизвестно, когда они появятся. Не исключено, что термоядерная революция случится раньше, чем будет остановлена последняя газовая электростанция.