Энергия ветра: как развивается возобновляемая энергетика, и когда она вытеснит уголь

В апреле 2023 года шведская компания Freja Offshore подала в местное Министерство климата и бизнеса заявку на строительство крупнейшей ветряной электростанции в мире с установленной мощностью 2500 МВт [источник, источник]. Сообщается, что при отсутствии бюрократических препятствий первое электричество потребители получат к 2028 году. Для сравнения, сейчас крупнейшей ветряной электростанцией считается Hornsea 2 в Великобритании, которая заработала в сентябре 2022 года и располагает 1300 МВт установленной мощности [источник]. Очевидно, что мировая энергетика переживает активную стадию перехода на «зеленые» технологии, и за последний год побито немало рекордов в отрасли. Рассмотрим, в каком состоянии сейчас возобновляемая генерация, и сможет ли она полностью вытеснить уголь в ближайшем будущем.

Что относится к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ)

Неточностей в вопросе определений быть не может, поскольку в российском законодательстве есть четкие формулировки касательно возобновляемых источников энергии. Согласно Федеральному закону «Об электроэнергетике» от 26.03.2003 N 35-ФЗ, к ним относятся:

• энергия солнца;

• энергия ветра;

• энергия вод (в том числе сточных вод), за исключением случаев использования такой энергии на ГАЭС;

• энергия приливов;

• энергия волн водных объектов, в том числе водоемов, рек, морей, океанов;

• геотермальная энергия с использованием природных подземных теплоносителей;

• низкопотенциальная тепловая энергия земли, воздуха, воды с использованием специальных теплоносителей;

• биомасса, включающая в себя специально выращенные для получения энергии растения, в том числе деревья, а также отходы производства и потребления, за исключением отходов, полученных в процессе использования углеводородного сырья и топлива;

• биогаз;

• газ, выделяемый отходами производства и потребления на свалках таких отходов;

• газ, образующийся на угольных разработках.

Отметим, что последние три пункта нельзя считать полноценными ВИЭ, так как с физико‑химической точки зрения такой газ является подобием природного. Но в подавляющем большинстве стран данные источники входят в список возобновляемых, поэтому принимаются и российской энергетикой.

Если взять за основу научные теории и подробно рассмотреть характеристики всех ВИЭ, можно выделить их общие черты [источник, источник, источник]:

• природа явлений зависит от геофизических процессов и имеет прямую связь с параметрами вращения планеты вокруг оси и Солнца;

• запасы энергии считаются практически неисчерпаемыми, поскольку в перспективе удовлетворяют все потребности человека на миллионы лет;

• относительно равномерное распределение источников по всей планете (отсутствует монополия у отдельных стран); 

• низкая плотность энергетического потока по сравнению с исчерпаемыми источниками;

• высокая зависимость от природных неопределенностей;

• прогнозирование основано по большей части на анализе предыдущего опыта.

По оценке ученых, технический потенциал ВИЭ составляет 780 000 млрд. т н. э. (тонн нефтяного эквивалента) [источник, источник]. Для сравнения, потребление на всей планете в 2021 году было на уровне 14,21 млрд. т н. э., а прогноз на 2040 год при текущей скорости развития — около 18 млрд. т н. э. Большая часть потенциальной энергии, которую мы в перспективе можем использовать, приходится на солнечную — более 62%.

Развитие ВИЭ в мире: ключевые тенденции

Мировая энергетика переживает трансформацию – это подтверждают многочисленные отчеты аналитических агентств. Так, авторитетное издание Ember опубликовало ежегодный обзор Global Electricity Review 2023, по результатам которого можно сделать следующие выводы:

• Выработка ветряных и солнечных электростанций достигла 12% от общемировой (в 2021 году значение не достигло 10%). Возобновляемая энергетика продолжает набирать обороты — это самый быстрорастущий сегмент (19% за год).

• Несмотря на высокие темпы развития, ВИЭ не успевают за спросом. Так, выработка угля продолжает увеличиваться (+1,1% за 2022 год).

• Количество вредных выбросов, генерируемых энергетической отраслью, увеличилось на 1,3%. То есть, в своем текущем состоянии ВИЭ не способны остановить пагубное влияние на природу.

Еще один свежий обзор опубликовали специалисты IRENA — Международного агентства по возобновляемым источникам энергии [источник, источник]. В отчете помимо текущего состояния отражены прогнозы. Ключевые моменты документа, заслуживающие внимания:

• установленная мощность новых электростанций продолжит расти;

• ключевую роль в развитии отрасли сыграют Китай, США, страны Латинской Америки и Европы;

• Европа делает ставку на ускоренный переход в связи с геополитической нестабильностью;

• основная доля установленных мощностей ВИЭ в 2023 году придется на солнечную энергетику (около 60%).

За последние 10 лет суммарная установленная мощность электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии, выросла в 2,15 раза. Значительная часть выработки приходится на ГЭС, СЭС и ВЭС.

Возобновляемая энергетика в России

В конце 2022 года в Мурманской области была запущена крупнейшая в мире ветроэлектростанция за Полярным кругом. Суммарно 57 мощных турбин способны вырабатывать до 750 гигаватт‑час в год. В соответствии с политикой импортозамещения, большая часть оборудования — российского производства. На станции реализованы и уникальные решения вроде системы обнаружения обледенения. Это событие подтверждает активное участие России в энергопереходе.

Важно подчеркнуть особенности, в которых существует отечественная сфера ВИЭ. Во‑первых, в России огромные запасы ископаемых источников энергии. Так, по оценке Минэнерго и Правительства, угля хватит стране на 350 лет, а нефти и газа в текущих условиях — на 30 и 50 лет соответственно. По некоторым прогнозам и с учетом развития технологий, Россия вполне способна расширить запасы нефти и газа, увеличив срок до 500 лет. Как заявил директор департамента внешнеэкономического сотрудничества и развития топливных рынков Министерства энергетики Сергей Мочальников, «энергопереход — это не прыжок, это марафон, и каждый шаг в нем должен быть выверен, чтобы мы не спотыкались и не падали на каждом шагу, не просчитав всех последствий».

Во‑вторых, цель российской энергетики — не стремительная декарбонизация, а обеспечение надежного и стабильного энергоснабжения промышленности и населения. Это подтверждают представители Министерства энергетики. Ярким примером ошибочного пути, по мнению того же Сергея Мочальникова, является нынешний энергетический кризис в Европе. «Развивать только возобновляемые источники энергии невозможно. Обязательно должна совершенствоваться традиционная энергетика, которая обеспечивает стабильность и безопасность энергоснабжения», — отметил он.

По данным агентства IRENA, рост суммарной установленной мощности электростанций России, работающих на ВИЭ, составил 12,3% в период с 2013 по 2022 гг — с 50,6 до 56,9 ГВт.

Данные по вводу СЭС, ВЭС и малых ГЭС приводит Ассоциация Развития Возобновляемой Энергетики (АРВЭ). Суммарная мощность перечисленных «зеленых» станций в России по состоянию на 1 апреля 2023 года – 5,81 ГВт. Зафиксирован более чем трехкратный рост в период с 2014 по 2022 гг.

Доля установленной мощности ВИЭ в энергосистеме РФ на апрель 2023 года — 2,3%. Прирост за последние полгода — 0,1 % [источник, источник]. Выработка в первом квартале 2023 года составила 2,4 млрд кВт*ч. Интересно, что доля в общем объеме выработки по данным ЕЭС России составляет всего 0,75 %.

Вывод: возобновляемая энергетика России развивается медленно, но планомерно. С учетом традиционных источников энергоотрасль РФ стабильна и надежна. Сейчас силы направлены на импортозамещение, разработку собственных технологий и их «обкатку» в тяжелых условиях, например, в Арктике. Сфера развивается согласно «Генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики до 2035 года». Так, в общей сложности запланировано строительство станций на ВИЭ суммарной установленной мощностью 11,6 ГВт.

Что мешает развитию ВИЭ

Переход на возобновляемые источники энергии — крайне тяжелое мероприятие, сопряженное с массой проблем. Среди них выделяются:

1. Нехватка ключевых для энергетики материалов. Консалтинговое агентство Rystad Energy прогнозирует, что к 2035 году на рынке будет наблюдаться дефицит меди в районе 6 млн. тонн, а полное истощение существующих рудников произойдет до 2045 года. Настораживающая статистика, если учитывать важность меди для электроэнергетики. Аналогичная ситуация с другими ключевыми материалами — никелем, литием, сталью, неодимом, кобальтом и т. д. На фоне роста энергопотребления переход на ВИЭ в условиях нехватки сырья обходится слишком дорого.

2. Иллюзорность экономики замкнутого цикла. Об этой проблеме много рассуждал Ричард Хайнберг — старший научный сотрудник Института Постуглеродной экономики США. В своей книге Power: Limits and Prospects for Human Survival он отметил работу экономиста Николаса Джорджеску‑Регена, который доказал невозможность бесконечной переработки материалов. [источник, источник] При каждом цикле придется тратить энергию, а металлы неизбежно потеряют часть свойств. Вывод: экономика замкнутого цикла нереализуема с физической точки зрения.

3. Климатические изменения. Как говорилось выше в общих чертах ВИЭ, выработка зависит от геофизических процессов и климата. В последние годы наблюдаются серьезные климатические изменения, и человек сыграл не последнюю роль в тенденции. Например, в августе 2022 года в Китае была зафиксирована самая сильная жара за последние 60 лет, что привело к авариям на электростанциях из‑за перегрузки. Прогнозировать такие явления, как ветер, солнечная активность, приливы и отливы, крайне сложно. Поэтому станции на ВИЭ не могут гарантировать должный уровень выработки на постоянной основе.

4. Геополитика. По оценке АРВЭ, транспортные расходы в электроэнергетике после введенных западными странами санкций подорожали для России в 5 раз. Усложнилась и ситуация с обменом опытом, технологиями, программным обеспечением и т. д. В условиях геополитического кризиса развитие замедляется, и такая сложная сфера, как ВИЭ, не исключение.  

5. Технические трудности. Возобновляемые источники отличаются очень низкой плотностью электроэнергии. Например, для солнечных электростанций — в среднем 1 кВт на 1 м². Получается, чтобы запитать один чайник мощность 2 кВт, нужна панель площадью 2 м². Другая проблема связана с хранением. Если рассматривать СЭС, то ночью или в пасмурные дни, когда выработка минимальна, станция может потреблять энергию на собственные нужды из аккумуляторных батарей. В плане технологий и используемых материалов такая схема очень затратна. Отсюда необходимость в сложной инфраструктуре.

Отметим, что ранее противники возобновляемой энергетики ссылались на высокую стоимость такого электричества. Сейчас это утверждение потеряло актуальность, поскольку цена «зеленой» электроэнергии в РФ сблизилась по стоимости с традиционной еще в 2021 году. В будущем, как показывает практика, тарифы упадут еще ниже: чем больше строится станций на ВИЭ, тем дешевле обходится каждый новый проект. 

Перспективы сферы и прогнозы экспертов

Сейчас наибольшую активность в сфере возобновляемой электроэнергетики проявляют страны Европы. Связано это, по аналитике IRENA, с нестабильной геополитической обстановкой. На европейском континенте уже есть страны, которые практически полностью перешли на потребление от ВИЭ (проценты, приходящиеся на ВИЭ, в общей доле энергопотребления):

• Австрия — 82,2%;

• Исландия — 95,8%;

• Норвегия — 98,2%;

• Португалия — 72,0%;

• Швейцария — 82,3%.

Большие планы у Китая и Индии. Так, власти КНР хотят к 2030 году добиться ввода 1200 ГВт «зеленой» установленной мощности. Индийское Правительство заявило о планах увеличить объемы со 100 до 500 ГВт к этому же сроку.

По прогнозам Международного энергетического агентства (МЭА), к 2027 году 38 % всей электроэнергии мира будет вырабатываться за счет возобновляемых источников. Доля атомной, угольной и газовой энергетики при этом продолжит снижаться. Эксперты полагают, что упор будет сделан на солнечные и ветровые станции — они обеспечат 80 % прироста.

Что касается России, то в 2021 году был озвучен новый вариант стратегии низкоуглеродного развития РФ. Так, к 2050 году планируется сократить выбросы парниковых газов на 79 %, а к 2060 году добиться полной углеродной нейтральности страны. Также хорошие результаты показывает программа развития возобновляемых источников энергии ДПМ ВИЭ. За 10 лет ее существования было введено 4 ГВт мощностей ВИЭ.

Если возвращаться к вопросу, озвученному в заголовке, то МЭА прогнозирует вытеснение угля энергией солнца и ветра к 2027 году. К этому сроку ВИЭ должны занять доминирующее положение на мировом рынке электроэнергии.