Кто всех лучше?
Что стоит за конкуренцией источников электроэнергии
В свете климатических изменений и технологического прогресса возникают новые проблемы для сектора энергетики. Учитывая растущий спрос на энергию и необходимость сокращения выбросов парниковых газов (ПГ), выбор источника энергии требует анализа многих аспектов, например, стоимости, долговечности, безопасности и климатического воздействия. Поэтому необходимо тщательно изучить факторы конкуренции между различными видами топлива и возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ)
Выбросы ПГ в течение жизненного цикла
Для оценки влияния разных технологий на климат применяется методология Life Cycle Assessment (LCA). Она рассматривает выбросы ПГ на всех этапах: от добычи сырья до утилизации отходов. За прошедшие годы было проведено множество LCA для разных технологий, и результаты варьировались. National Renewable Energy Laboratory (NREL) гармонизировал эти данные в 2021 году.
Согласно полученным оценкам, АЭС и ВИЭ имеют меньше выбросов ПГ по сравнению с ископаемыми топливами – до 100 г СО2экв/кВт·ч. Большинство выбросов при использовании ископаемых топлив происходит при их сжигании, в то время как в случае АЭС и ВИЭ выбросы образуются до начала эксплуатации.
Угольные и газовые электростанции отвечают за 99% всех выбросов ПГ в рамках топливного цикла, с показателями в пределах 400–1150 г СО2экв/кВт·ч. Однако благодаря применению современных технологий улавливания и хранения СО2 (CCS) возможно значительно сократить эти выбросы при сжигании топлива, достигая показателей в диапазоне 50–400 г СО2экв/кВт·ч.
Тем не менее для полного понимания воздействия различных технологий необходимо учитывать не только выбросы ПГ, но и другие параметры. Рассмотрим их ниже.
Безопасность
В 2021 году проект Our World in Data представил исследование, в котором оценивалась безопасность различных источников энергии на основе количества смертей на тераватт-час произведенной энергии. Основной фактор риска для здоровья человека – это загрязнение воздуха, обусловленное сжиганием ископаемых топлив и биомассы. Данные показывают, что смертность колеблется от 2,82 чел./ТВт·ч при использовании газа и до 32,72 чел./ТВт·ч для бурого угля.
АЭС и ВИЭ демонстрируют наименьший уровень смертности – от 0,02 до 0,04 чел./ТВт·ч. Однако АЭС остаются предметом обеспокоенности ввиду потенциальных рисков, связанных с радиацией и долгосрочным хранением радиоактивных отходов.
ГЭС в целом безопасны, но крупные аварии, такие как катастрофа на плотине Баньцяо, могут существенно повлиять на статистику. Этот инцидент подчеркивает важность строгого соблюдения стандартов безопасности при строительстве и эксплуатации гидроэнергетических объектов.
Срок службы
Длительный срок службы позволяет компаниям амортизировать начальные инвестиции дольше, что, в свою очередь, может снизить стоимость производства электроэнергии.
ГЭС благодаря своей простоте и надежности служат до 100 лет, что делает их особенно привлекательными для инвесторов, ищущих долгосрочные и стабильные источники дохода.
АЭС также имеют длительный срок службы – до 60 лет, однако их строительство и эксплуатация требуют значительных инвестиций и строгого соблюдения стандартов безопасности.
С другой стороны, солнечные (СЭС) и ветряные (ВЭС) станции, хотя и имеют относительно короткий срок службы в 20–25 лет, демонстрируют быстрый темп внедрения технологических инноваций, что может продлить их эксплуатацию. Кроме того, снижение стоимости замены оборудования и улучшение технологических процессов могут сделать ВИЭ более конкурентоспособными в долгосрочной перспективе.
Стоимость
Полная приведенная стоимость электроэнергии (Levelized cost of energy, LCOE) служит одним из ключевых показателей, используемых для сравнения экономической эффективности различных источников энергии. Она представляет собой среднюю стоимость выработки единицы электроэнергии на протяжении всего жизненного цикла электростанции и учитывает все связанные с этим затраты.
Согласно данным Международного энергетического агентства (МЭА), АЭС остаются одними из самых экономичных низкоуглеродных технологий: несмотря на высокие начальные капитальные затраты, они окупаются за счет срока службы.
Технологии CCS пока не являются конкурентоспособными по сравнению с другими источниками энергии при текущих ценах на углерод. Однако при увеличении цены на выбросы ПГ CCS может стать более привлекательным вариантом, особенно для угольных электростанций.
По данным IRENA, большинство новых проектов в сфере ВИЭ уже сегодня производят электроэнергию дешевле, чем угольные электростанции в странах G20. Это подтверждает тенденцию к снижению стоимости ВИЭ и их растущую конкурентоспособность на мировом рынке.
Стоит отметить, что LCOE не учитывает системные издержки в электроэнергетике. Они стали особенно актуальными с развитием переменных ВИЭ. Для них эти издержки на порядок выше, чем для традиционной централизованной генерации (см. рис. 1).
Рис 1
Ресурсоемкость и потребность в критическом сырье
Когда речь идет о ВИЭ, ресурсоемкость становится важным вопросом. Например, биомасса, несмотря на то что является возобновляемым источником, требует значительных площадей земли и ресурсов для производства. АЭС, хотя им необходимо меньше материалов на единицу произведенной энергии, сталкиваются с проблемами утилизации отходов и потенциальными рисками безопасности.
Для СЭС и ВЭС нужны значительные материальные затраты на производство и установку оборудования. Они оцениваются в 16,5 т/ТВ·ч материалов для СЭС и в 10,3 т/ТВ·ч для ВЭС, а потребность в критических металлах (литий, кобальт, неодим и т. д.) составляет 82 и 530 кг/ТВ·ч соответственно. Последнее обстоятельство служит наиболее узким местом для ВИЭ, так как этот показатель по сравнению с остальными видами энергии на один-два порядка выше. Кроме того, для обеспечения стабильности и надежности электроснабжения при масштабировании этих источников потребуются разработка и внедрение систем хранения энергии, что в свою очередь увеличит ресурсоемкость.
Важным аспектом в области ВИЭ является их переработка. Лопасти ВЭС состоят преимущественно из полимеров, армированных стекловолокном. На данном этапе по большей части лопасти просто захораниваются. Тем не менее развиваются альтернативные технологии и подходы: использование в качестве вторсырья, а также в строительстве (например, для создания шумоподавляющих и заградительных заборов на автомагистралях). Перспективным видится производство из лопастей гранулированного сырья, которое в дальнейшем пойдет на создание новых. Можно также использовать пиролиз для переработки, а полученное сырье применять для 3D-печати. Однако данные методы требуют продолжения научных исследований.
Для СЭС важным аспектом при переработке является выделение свинца, поскольку данный металл крайне токсичен и захоранивать его нельзя. Сейчас ведутся разработки новых технологий, например восстановления материалов солнечных панелей путем их нагрева и применения кислотного растворения и электролиза для извлечения кремния и металлов. В США разрабатывается метод электровыделения чистых металлов из отходов панелей.
Использование земельных ресурсов
АЭС наиболее эффективны с точки зрения землепользования на единицу произведенной электроэнергии, они требуют в среднем 0,3 кв. м/МВт·ч. В свою очередь, ВИЭ, хотя и требуют больше земли – от 3 до 22 кв. м/МВт·ч, могут быть размещены на малопродуктивных или непродуктивных землях, что снижает их воздействие на сельское хозяйство или другие земельные ресурсы.
Однако важно учитывать не только непосредственное использование земли для установки электростанций, но и все связанные с этим аспекты, такие как добыча материалов для строительства, получение энергетических ресурсов, инфраструктура электрических сетей и утилизация отходов. Эти факторы могут значительно увеличить общую площадь, необходимую для поддержания работы конкретного источника энергии.
Сравнение по факторам конкурентоспособности
Итак, анализ выявил преимущества и недостатки различных источников энергии (см. таблицу). ГЭС, ВЭС и АЭС выделяются благоприятными показателями по многим параметрам, таким как экологичность, безопасность и долговечность. В то время как уголь, нефть и газ обладают преимуществами в плане экономической эффективности, материалоемкости и использования земельных ресурсов. СЭС и биоэнергетика занимают среднее положение по большинству критериев.
При этом, несмотря на высокую конкурентоспособность АЭС и ГЭС, их распространение ограничено рядом факторов. АЭС требуют значительных инвестиций и длительного периода строительства, а также сталкиваются с общественным недовольством из-за потенциальных рисков (пожалуй, этот фактор является одним их ключевых в ограниченном распространении АЭС в мире). ГЭС зависят от географических и климатических условий, что ограничивает их применение в некоторых регионах.
Таким образом, несмотря на экологические и климатические аспекты, уголь, газ и нефть продолжают пока оставаться основными источниками энергии из-за их экономической выгоды и технологической готовности. В последние годы наблюдается усиление интереса к ВИЭ, но их широкое применение пока ограничено, главным образом технологическими и ресурсными факторами.
Об авторах
