Статья посвящена анализу современного состояния глобальной энергетики и оценке перспектив её дальнейшего развития. Подробно рассмотрены основные парадигмы, в рамках которых предлагаются различные варианты решения энергетической проблемы. Предметом анализа стали современные тенденции в развитии традиционной и альтернативной энергетики. Особое внимание уделено набирающим силу процессам децентрализации энергосистем в условиях меняющейся структуры спроса и появления новых категорий потребителей. По итогам исследования представлена авторская версия картины энергетического будущего.
Ключевые слова: глобальный энергетический кризис, климатические изменения, углеводородная энергетика, декарбонизация, возобновляемые источники энергии, водородная энергетика, малые модульные реакторы, энергоэффективность, децентрализованная генерация, интернет энергии.
Прежде, чем спорить, давайте считать.
Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646–1716) — выдающийся немецкий философ, логик, математик, механик, физик, юрист, историк, дипломат, изобретатель и языковед, универсальный гений
Глобальная энергетическая проблема
Энергетическая проблема является одним из критических вызовов XXI века. В условиях постепенного отказа от использования ископаемого топлива необходимо обеспечивать растущие потребности в энергии, достаточные для поддержания устойчивого экономического роста, покончить с энергетической бедностью[1] и создать условия для более долгой и продуктивной жизни людей. При этом давление энергетической сферы на природу должно быть сведено до минимума.
Учёными и специалистами решение проблемы предлагается в рамках различных моделей или парадигм[2], в каждой из которых минимизация углеродного следа энергетики является важнейшим приоритетом. Условно их можно классифицировать следующим образом:
- Традиционная парадигма. В качестве первостепенной ставится задача комплексного обновления всей углеводородной энергетики с целью её максимальной декарбонизации[3]. Это предполагает, во-первых, настройку технологий добычи, транспортировки и последующего использования ископаемого топлива под новые экологические стандарты и, во-вторых, производство из него энергии, полностью удовлетворяющей требованиям как базовой, так и регулирующей генерации. Важной составляющей углеводородной энергетики должны стать постоянно обновляющиеся технологии улавливания и хранения углерода (Сarbon Capture and Storage, CCS).
- Парадигма возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Рассматривает переход на солнечную, ветровую, гидро- и биоэнергетику как единственно верный путь к минимизации негативных воздействий на окружающую среду. В основе этой парадигмы лежит абсолютная убеждённость в том, что нынешние климатические изменения вызваны исключительно воздействием антропогенных факторов[4], нарушивших естественный ход эволюции геосферы. Эта точка зрения принята большинством учёных. Однако есть и те, кто оспаривает такое мнение. Скорее всего, климатические изменения являются результатом совместного действия природных причин и человека, а вот вопрос о том, как эти причины соотносятся друг с другом и какая из них доминирует, является предметом сложных научных исследований.
Как бы то ни было, сама идея резкого наращивания использования ВИЭ уже даёт весьма существенные результаты. Но, в силу ряда причин, на которых мы подробно остановимся ниже, ВИЭ не способны полностью заменить остальные источники энергии. Они просто займут свою естественную нишу, не претендуя на решение всех энергетических проблем человечества. Движение будет происходить в соответствии с «кривой зрелости» любой технологии: от «пика популярности» к фазе «избавления от иллюзий» и, далее ‒ в «долину разочарований».
- Инновационная парадигма. Она основывается на идее о необходимости развития новых технологий, базирующихся на инновационных подходах. В качестве приоритетов обозначены разработки в области управляемого термоядерного синтеза, развитие водородной энергетики и широкое применение малых модульных ядерных реакторов (Small Medium Reactor, SMR). Освоение этих технологий рассматривается как потенциал прорыва на пути к полному отказу от ископаемых энергоресурсов в долгосрочной перспективе.
- Парадигма энергоэффективности. В рамках этой парадигмы энергоэффективность понимается как сокращение энергозатрат на всех стадиях производства, распределения и потребления энергии без снижения эффективности технологических процессов в производственной сфере и без ущерба для уровня комфорта на гражданских объектах. Такой подход открывает доступ к «пятому виду топлива», представляющему собой результат рационального использования энергии. Главной задачей является снижение удельной энергоёмкости конечного продукта и минимизация карбонового следа энергетики. Магистральное направление — переход от утрачивающих свою эффективность традиционных энергосистем к децентрализованным энергосистемам будущего. Они будут основываться на оптимальном сочетании различных источников генерации при максимальном использовании местных ВИЭ с учётом многообразия природных зон и регионов. Подобный синтез вариативных подходов, основанный на синергетических [5] принципах, позволит создать гибкую и, в то же время, устойчивую энергосистему будущего.
Разработка оптимальной энергетической стратегии всегда требует комплексных решений, учитывающих технологические возможности, экологические, экономические, политические и социальные факторы. В рамках статьи сделана попытка дать общую панораму современной энергетики и заглянуть в её будущее. Речь пойдёт лишь о наиболее вероятных, на наш взгляд, тенденциях развития, так как состояние неопределенности, в котором находится современный мир, делает несбыточными любые детализированные прогнозы.
Традиционная парадигма и перспективы углеводородной энергетики
Эта тема настолько актуальна и многогранна, что требует к себе более пристального внимания. А начнём мы с вопроса о происхождении нефти, а, значит, и вообще всех (помимо угля) ископаемых углеводородов (УВ). От его окончательного решения зависит реалистичность многих прогнозов будущего глобальной энергетики. Итак, биогенная (органическая) теория утверждает, что нефть образовалась из остатков древних растений и животных, подвергшихся длительным процессам преобразования под воздействием давления и температуры в осадочных породах. Абиогенная (неорганическая) теория предполагает, что нефть имеет неорганическое происхождение. Образуясь на больших глубинах (в мантии), она мигрирует затем к верхним слоям земной коры через тектонические разломы.
Важно подчеркнуть, что здесь мы имеем дело не только с различиями в концептуальных подходах, но и с кардинальными расхождениями в практических следствиях каждой из теорий. Биогенная теория изначально предполагает ограниченность запасов ископаемых УВ, их невозобновляемость, тогда как абиогенная теория рассматривает ископаемые УВ в качестве возобновляемого и практически неисчерпаемого ресурса.
Биогенная теория зародилась в XVIII веке благодаря трудам Михаила Ломоносова (1711–1765). В своей работе «О слоях земных» (1763) он предположил, что нефть образуется из органических веществ, которые подвергаются преобразованию под воздействием давления, температуры и времени в осадочных породах, таких как сланцы или известняки [1]. В XX столетии американский геолог и химик Джон Хант (John M. Hunt) продолжил развивать идею биогенного происхождения нефти, показав, что живая материя и нефть сходны по элементному и изотопному составу [2]. Одно из последних своих подтверждений теория получила в исследованиях биомаркеров[6] нефти, ставших возможными благодаря появлению и развитию хроматографии и масс-спектрометрии в 1960–1970-х гг.
Главными аргументами в пользу биогенной теории являются:
Геологические данные. Около 98–99 % всех разведанных запасов нефти и газа сосредоточено в осадочных породах, в которых, согласно теории, и происходит преобразование древнего органического вещества.
Биомаркеры. В нефти обнаружены молекулы, являющиеся следами живших в отдалённые эпохи организмов (гемы [7] и углеводороды стерольного типа [8] ).
Эксперименты. Лабораторные исследования подтвердили возможность синтеза углеводородов из органических остатков при высоком давлении и температуре.
Вторая идея ‒ о минеральном происхождении нефти, впервые была высказана знаменитым немецким естествоиспытателем А. Гумбольдтом в 1805 г. В виде завершенной концепции абиогенная теория была представлена в 1877 году Дмитрием Менделеевым. Он предположил, что нефть возникает в результате реакции паров воды с карбидами металлов ядра Земли [3]. Своё продолжение эта теория получила в работах Томаса Голда (Thomas Gold). В книге «Глубокая горячая биосфера» («The deep hot biosphere») , предисловие к которой написал Фримен Дайсон ( Freeman John Dyson )[9], он представил свою модель происхождения углеводородов. Согласно Голду, углеводороды изначально находятся на больших глубинах, а их миграция к поверхности ‒ это естественный геологический процесс, связанный с тектонической активностью. Углеводородные запасы неисчерпаемы, поскольку восполняются за счёт происходящих в мантии процессов. В качестве аргумента им приводятся данные о наличии УВ на космических телах Солнечной системы и в астероидах, что подтверждает возможность их существования независимо от органической жизни [4]. Близкой к Голду точки зрения придерживается академик А. А. Маракушев[10], предположивший, что ископаемые углеводороды образуются в результате дегазации Земли, т. е. выхода газов (главным образом водорода) из мантии. Их выделение происходит скачкообразно, импульсами и связано с резкими изменениями давления и температуры в недрах. Такими процессами можно объяснить, почему некоторые месторождения нефти восполняются со временем[11]. Лабораторные эксперименты подтвердили возможность синтеза углеводородов из неорганического вещества в условиях, аналогичных существующим в мантии Земли. Анализы вулканических газов показали наличие в них метана и некоторых других углеводородов, что также доказывает их глубинное происхождение. Сейчас различными учёными ведутся активные исследования, направленные на изучение связи между водородной дегазацией Земли и процессами образования нефти. При этом рассматриваются как неорганические, так и биогенные аспекты этого явления.
Происхождение открытых в последнее время гигантских сверхглубоких нефтегазовых залежей на глубинах свыше 8 км (а это значительно глубже «нефтяного окна»[12]), сложно объяснить в рамках концепции биогенного происхождения УВ. А вот концепция абиогенного, глубинного происхождения УВ дает простое и логичное объяснение существованию этих залежей [5].
Таким образом, каждая из обеих теорий имеет в своём распоряжении довольно убедительные аргументы, чем и объясняется накал ведущейся по этому поводу научной полемики. В целом же современные исследователи придерживаются некоего компромисса: часть углеводородов действительно может иметь абиогенное происхождение, но основная масса нефти и газа образована биогенным путём.
Углеводородная энергетика, базирующаяся на мощном сырьевом и технологическом фундаменте, продолжит оставаться ключевой частью энергобаланса на протяжении ещё многих десятилетий. Дальнейшее её развитие будет сосредоточено на повышении КПД тепловых электростанций (ТЭС) и совершенствовании технологий декарбонизации. Однако доминирование ископаемых УВ будет постепенно сокращаться под влиянием экологических требований, технологических инноваций и неценовых факторов спроса.
Ставка на возобновляемые источники энергии
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ), которые ещё совсем недавно не воспринимались всерьёз, стали сегодня экономической реальностью и поставляют на рынок огромные количества относительно недорогой электроэнергии. «Стоимость 1 киловатт-часа электроэнергии от новых ветроэлектростанций в 2020 году составляла от 2,6 цента, от солнечных электростанций — от 2,9 цента. Для новых газовых и угольных электростанций значения этого показателя начинались от 4,4 цента и 6,5 цента соответственно. Именно поэтому в последние годы солнечная и ветровая энергетика стали самыми динамично развивающимися отраслями как в секторе ВИЭ, так и в энергетике в целом». [6, с. 90].
Таблица 1
Специфика основных составляющих возобновляемой энергетики
|
ВИЭ |
Этапы освоения |
Тенденции развития |
Обозримая перспектива |
Ограничения |
|
Солнечная энергия |
От солнечных печей XVII века до солнечных батарей на основе фотоэлектрического эффекта |
Рост КПД солнечных панелей. Разработка новых технологий накопления и хранения энергии |
Становление в качестве одного из ведущих источников глобальной энергетики |
Зависимость от времени суток, погоды и интенсивности солнечной радиации. Необходимость больших площадей для установки панелей. Географические ограничения. Высокая материалоёмкость. Проблемы с утилизацией солнечных панелей |
|
Ветровая энергия |
Первые ветряные мельницы появились в Персии в VII веке. Сейчас силой ветра производится около 8 % мировой электроэнергии |
Разработка новых типов турбин. Переход к оффшорным (морским) ветропаркам. Интеграция с другими источниками энергии |
Преобладающее развитие в прибрежных регионах, горных и предгорных районах, наиболее подходящих для ветровой генерации. Становление отрасли в качестве важной составляющей глобальной энергетики |
Зависимость от ветровых условий. Конфликт с природоохранными зонами. Запреты на установку в густонаселенных регионах. Высокая материалоёмкость. Проблемы с утилизацией элементов ВЭС |
|
Энергия потоков воды |
От первых гидротурбин XIX века до самой мощной в мире электростанции Three Gorges Dam на реке Янцзы в Китае. Её мощность составила 22,5 гигаватта, а стоимость ‒ более 39 млрд. долларов (2006 г.) |
Акцент на малых и микро- ГЭС |
Строительство новых ГЭС главным образом в горных районах с затоплением менее заселённых и плодородных территорий. Горные районы лучше всего подходят для создания гибридных энергетических систем, сглаживающих нестабильность солнечной и ветровой генерации |
Затопление территорий, переселение населения, разрушение экосистем рек. Изменение режима водных стоков из-за климатических колебаний. Ограниченный потенциал для строительства новых крупных ГЭС |
|
Геотермальная энергия |
В Исландии геотермальная энергия горячих источников служила для обогрева домов и теплиц с XIII века. В настоящее время развиваются системы расширенной геотермальной энергии (EGS), использующие тепло глубоких (5–10 км.) пластов Земли |
Глубокое бурение и управление высокотемпературными ресурсами |
За счёт стабильной генерации, не зависящей от погодных условий, сможет обеспечивать полностью автономное энергоснабжение отдельно взятых регионов. По данным Международного энергетического агентства (IEA) геотермальная энергия способна покрывать до 8 % мирового энергобаланса к 2050 году |
Географические ограничения, высокая стоимость, технологические сложности и экологические риски |
|
Энергия биомассы |
От использования древесины для получения огня до биогазовых установок и производства биоэтанола |
Обновление технологий, поиск альтернативных источников биоэнергии |
Как локальное решение для сельских и аграрных регионов энергия биомассы может быть востребована ещё многие десятилетия |
Конкуренция «энергетических плантаций» за землю с производителями продовольствия. Высокий углеродный след при сжигании биомассы. Ограниченность доступа к ресурсу |
Сегодня ежегодный мировой прирост установленных мощностей вновь вводимых солнечных и ветряных электростанций превышает мощность всей энергосистемы России. Мир переживает настоящий бум[13] «зелёной» энергетики. На сегодняшний день глобальный объём её рынка оценивается в 1 триллион долларов США.
Несомненными плюсами электростанций на ВИЭ являются их экологичность, практически неисчерпаемые и бесплатные ресурсы, возможность локализации в регионах, малопригодных для традиционной энергетики. Но практика использования ВИЭ обозначила и круг существенных проблем. Ключевой из них является интермиттентность[14] главных игроков «зелёной» энергетики, не позволяющая использовать их в качестве базовых мощностей. Ещё одной проблемой является то, что возобновляемая энергетика (кроме геотермальных и гидроэлектростанций) имеет низкие показатели коэффициента использования установленной мощности (КИУМ)[15]. Сводные показатели этого коэффициента для различных типов генерации приведены в таблице 2 [7].
Таблица 2
Коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) для основных типов электростанций
|
Типы электростанций |
КИУМ (%) |
Факторы, влияющие на значения КИУМ |
|
Геотермальные |
70 ‒ 90 |
Высокие показатели обусловлены стабильностью источника энергии |
|
Гидроэлектростанции |
40 ‒ 70 |
Сезонные колебания стока воды |
|
Ветряные |
20 ‒ 45 |
Зависимость от переменной динамики ветровых потоков |
|
Приливные |
20 ‒ 35 |
Прерывистый режим работы |
|
Солнечные |
15 ‒ 30 |
Зависимость от времени года, суточных, погодных и географических факторов |
|
Атомные |
85 ‒ 90 |
Стабильная работа, редкие остановки на ремонт |
|
Угольные |
50 ‒ 70 |
Колебания рыночного спроса и экологические ограничения |
|
Газовые в режиме регулирующей генерации |
30 ‒ 50 |
Используются только для покрытия пиковых нагрузок |
|
Газовые в режиме базовой генерации |
~ 80 |
Зависимость от технического состояния оборудования и квалификации персонала |
Анализ данных таблицы показывает, например, что для замены одной газовой ТЭС мощностью 500 МВт (КИУМ~50 %) потребуется строительство солнечной станции с установленной мощностью около 1250 МВт (КИУМ~20 %) и оснащённой соответствующими системами накопления и хранения энергии. Показателен и другой пример. Установленная мощность ВИЭ Китая в 2019 г. составляла 21 % от всех мощностей, а её вклад в общее производство электроэнергии не превышал 9 %. В то же время вклад ядерной энергетики с долей 2,2 % от общей установленной мощности составил 5 % от общего производства электроэнергии [8]. Серьезные проблемы создаёт высокая материалоемкость ВИЭ, в разы превышающая материалоемкость традиционной энергетики. Помимо прочего, «зелёные» энергетические технологии в больших количествах используют редкоземельные элементы, а также платину, титан, литий, кадмий и др.
Для выравнивания дисбаланса между реальной производительностью электростанций на ВИЭ и пиковым потреблением в сеть должны быть интегрированы соразмерные этому дисбалансу крупные системы хранения энергии, а также множество менее ёмких накопителей. Это позволяет нивелировать последствия как продолжительных, так и краткосрочных энергетических флуктуаций[16], связанных с нестабильностью генерирующих мощностей. Например, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), используя дешёвое электричество во время ночного спада потребления, расходуют его на перекачку воды в верхний бьеф[17]. Во время утреннего и вечернего пиков расходования энергии ГАЭС сбрасывают воду из верхнего бьефа в нижний и вырабатывают уже более дорогую пиковую электроэнергию. Такие станции не являются генерирующими мощностями в чистом виде, так как потребляют электроэнергии больше, чем вырабатывают. Эффективность кругового цикла у них составляет около 70 %, т. е. на каждый 1МВт·ч затраченной энергии восстанавливается только 0,7 МВт·ч. Зато такие станции эффективно справляются с разгрузкой энергосети в пиковые часы. На разных стадиях развития находятся и другие формы хранения энергии, такие, как литий-ионные накопители, расплавы солей, сжатый воздух, сверхпроводящие магниты, маховики и гравитационные накопители.
Ускоренный рост возобновляемой энергетики стал возможным благодаря государственной поддержке и фискальным стимулам, создавшим крайне выгодные условия для серьёзных инвестиций в эту сферу.
Что касается перспектив, то каждый бум закономерно заканчивается стадиями спада и рецессии. Есть основания полагать что бурное распространение «зелёной» энергетики в ближайшее время пойдёт на спад, так как все основные экономические и технологические выгоды будут уже реализованы и рынок ВИЭ достигнет своего насыщения. Впереди нас ожидает усиление конкуренции между различными видами генерирующих мощностей. Они будут приспосабливаться под потребности конкретных получателей энергии как по её количеству, так и по качеству.
Инновационная парадигма
Сторонниками данной парадигмы энергетика будущего видится как сфера высоких технологий, в корне меняющих глобальный энергобаланс. Управляемый термоядерный синтез, водородная энергетика и малые модульные реакторы (SMR) являются стратегической основой инновационной парадигмы и открывают недостижимые ранее горизонты развития. Термоядерный синтез обеспечит доступ к неисчерпаемому источнику дешёвой и чистой энергии, безопасной для окружающей среды. Безграничная мощь синергии управляемого термояда, квантовых вычислений и искусственного интеллекта позволит осуществить многие заветные мечты человечества. Откроется дверь в эпоху процветания, когда прекратятся конфликты за ресурсы выживания. Масштабирование процессов опреснения засолённых вод, а также прекращение антропогенных выбросов в атмосферу решат проблемы пресной воды и чистого воздуха. Все жители Земли получат гарантированное продовольственное обеспечение. Производство товаров и услуг станет дешевле. Будет создана социальная среда, повышающая жизненный потенциал людей. Но это — далёкая перспектива. Для её достижения потребуется достаточное количество «людей длинной воли», наподобие Илона Маска, обладающих положительной пассионарностью[18]. Колоссальные технические, технологические, экономические и политические проблемы, встающие на этом пути, отодвигают горизонты планирования за пределы всяких, даже приблизительных, расчётов.
Что же касается водородной энергетики и малых модульных реакторов, то их перспективы видятся более отчётливо. Сейчас идет промышленное и коммерческое освоение технологий начального этапа. Поскольку Узбекистан, в сотрудничестве с «Росатомом», является вероятным партнёром для развертывания первых серийных SMR, возникает необходимость остановиться на этой теме более подробно. Итак, малые модульные реакторы — это современные ядерные реакторы с мощностью энергоблока до 300 МВт (около одной трети мощности обычного реактора). Конфигурация их систем, теплоносители, топливо и эксплуатационные условия радикально отличаются от традиционных реакторов. Их полная сборка осуществляется в заводских условиях, а малые габариты позволяют доставлять изделие к местам установки по железным дорогам. SMR способны работать без подключения к полномасштабной энергоинфраструктуре и будут весьма эффективны при освоении удаленных территорий, где, помимо обеспечения электроэнергией, смогут использоваться также для выработки тепла, опреснения воды и производства водорода. Они хорошо интегрируются с солнечными и ветряными электростанциями, обеспечивая повышенную энергоэффективность такой связки благодаря всё тому же эффекту синергии. Ими могут быть заменены выводимые из эксплуатации угольные электростанции, мощность блоков которых, как правило, менее 500 МВт. Их насчитывается до 90 % от общего числа всех угольных электростанций. По оценкам МАГАТЭ[19], к 2040 году мировая потребность в маломощных реакторах составит от 500 до 1000 блоков [9].
Конструктивно SMR отличаются простотой и высоким уровнем безопасности, сводящим до минимума вероятность радиоактивных выбросов в случае аварии. Перегрузка топлива осуществляется каждые 3–7 лет, тогда как на традиционных АЭС она требуется каждые 1–2 года. Некоторые проекты SMR рассчитаны на работу без перегрузки до 30 лет. Предварительные подсчеты показывают, что при массовом производстве SMR стоимость 1 кВт∙ч производимого ими электричества будет сопоставима с ветровой и солнечной энергетикой [8, 10].
Если малые модульные реакторы видятся как альтернатива крупным атомным станциям, то перспективы водородной энергетики носят более глобальный характер, являясь фактором долгосрочного прорыва во всей энергетике. Этот элемент может использоваться не только как топливо, но и как эффективный энергоноситель, связывающий между собой разные источники энергии, что повышает стабильность энергосистем.
Почему же именно водород должен сыграть решающую роль в будущей энергетике? Перечислим основные предпосылки:
Экологичность. В процессе сгорания водород образует только воду (H₂O), не производя CO₂ или других парниковых газов, что является главным условием достижения углеродной нейтральности.
Универсальность применения. Это единственный вид топлива, которое можно использовать в больших масштабах практически везде: в промышленности, на транспорте, в энергетике. Пригоден он и для хранения запасов энергии.
Синергия с ВИЭ. Производство водорода путём электролиза позволяет компенсировать нестабильность солнечной и ветровой энергии, превращая её избыточное производство в стабильное топливо.
На сегодняшний день из угля и нефти вырабатывается 11 % мирового водорода, из природного газа — 85 %, за счёт электролиза воды — 4 %. Просто и относительно дёшево водород извлекается из природного метана, но это приводит к значительным выбросам CO₂. Проблему решает электролиз за счёт ВИЭ, но при этом возникает другая проблема: производство «зеленого» водорода требует больше энергии, чем можно из него получить. Поэтому абсолютное первенство по всем статьям принадлежит «белому» водороду. Его ещё называют «золотым» или «геологическим». Это даровой природный ресурс, который, подобно нефти и природному газу, можно будет добывать из подземных месторождений. Разница лишь в том, что залежи водорода требуют иных геологических условий. Для компаний, которые первыми начнут осуществлять его промышленную добычу, он обещает стать источником огромных прибылей.
Последние данные приносят всё больше подтверждений гипотезы водородной дегазации Земли. В ряде стран уже приступили к поискам месторождений водорода. Если стартапы добьются успеха и подтвердят наличие крупных залежей, то тогда в игру войдут крупные нефтегазовые компании, которые будут вкладывать в «геологический» водород уже миллиарды долларов. Это может стать революцией в энергетике. Джефф Эллис, геохимик программы энергетических ресурсов Геологической службы США, сообщил изданию «Forbes», что «во всем мире под землей скрыто не менее 10 млн мегатонн (Мт), или 10 триллионов тонн водорода, ‒ значительно больше, чем 100 Мт, которые сейчас используются в промышленности. Благодаря появлению новых способов использовать этот элемент в качестве авиационного топлива или стационарного источника энергии мировой спрос должен вырасти как минимум до 500 Мт в ближайшие 20 лет. Поэтому, если мы сможем использовать хотя бы 2 % или 3 % от этих 10 млн мегатонн, мировой спрос в размере 500 мегатонн в год будет удовлетворен на сотни лет, ― сказал он» [11].
Первый природный водород был добыт в деревне Буракебугу в Мали. В 2012 году здесь бурили скважину на воду, но из неё пошёл чистый водород (98 %) с дебитом около 400 кг в сутки, что дало возможность электрифицировать этот населенный пункт. Сейчас в поисках «золотого» водорода собираются бурить скважины в Небраске и Канзасе (США), ищут его в Австралии, а французские исследователи полагают, что залежи водорода могут находиться в регионе Эльзас-Лотарингия и тоже начали поиски. Всё это можно расценивать как начавшееся движение в сторону масштабной коммерциализации «геологического» водорода. Судя по всему, водородная энергетика имеет огромный потенциал развития и находится на пороге глобального трансформационного рывка. Однако нужно иметь в виду, что подобные изменения происходят быстро только тогда, когда правительства действуют.
Подводя итог, можно констатировать, что для водородной энергетики и малых модульных реакторов просматриваются самые благоприятные перспективы. После насыщения рынка возобновляемой энергетики, очередной бум, скорее всего, ждёт нас именно на этих направлениях. Что касается управляемого термояда, то это ‒ отдалённая перспектива, для достижения которой потребуются усилия нескольких поколений.
Меняющаяся парадигма энергоэффективности
Если изначально энергоэффективность трактовалась как цель и результат направленной оптимизации энергозатрат, то затем этому понятию стал придаваться более содержательный смысл, включающий в себя не только экономические и технологические, но и экологические и социальные аспекты. Таким образом, энергоэффективность представляет собой концепцию, эволюционирующую по мере углубления нашего понимания происходящих процессов.
От локальной оптимизации к системному подходу
На заре индустриальной эпохи понимание энергоэффективности ограничивалось вопросами повышения КПД отдельных устройств: двигателей, котлов, ламп накаливания. Однако с развитием технологий и усложнением энергосистем стало очевидным, что локальная оптимизация сама по себе недостаточна. Поэтому энергоэффективность стали рассматривать как системное свойство , охватывающее всю энергетическую цепочку — от генерации до конечного использования. Сегодня в такой контекст логично укладываются и технологии распределённой генерации, и умные сети (Smart Grids), и разнообразные энергосберегающие технологии, и даже поведенческие паттерны[20], такие, как культура энергопотребления.
Энергоэффективность и устойчивое развитие
Современная парадигма энергоэффективности тесно связана с концепцией устойчивого развития, становясь уже не просто совокупностью мер по сбережению ресурсов, но и базовым условием снижения парниковых выбросов и механизмом борьбы с изменением климата. Использование возобновляемых источников энергии, развитие систем её накопления и хранения, переход к экономике замкнутого цикла[21] — всё это тоже части нового понимания энергоэффективности, ставшей не только экономической, но и экологической необходимостью.
Технологии и цифровизация
Цифровизация послужила катализатором изменения парадигмы энергоэффективности. Интернет вещей (IoT), искусственный интеллект (AI), технологии хранения и управления большими объемами информации (Big Data) позволяют оптимизировать энергопотребление в реальном времени, прогнозировать нагрузки и предотвращать потери. Умные дома, умные города и Индустрия 4.0[22] — всё это примеры того, как технологии расширяют границы энергоэффективности, придавая ей новые смыслы и делая её концепцию более гибкой и адаптивной.
Социальный и экономический аспекты
Сегодня энергоэффективность — это не только техническая, но и социально-экономическая категория. Она включает в себя доступность энергии для всех слоёв населения, создание «зелёных» рабочих мест и ликвидацию энергетической бедности. Энергоэффективность становится инструментом социальной справедливости, обеспечивая равный доступ к ресурсам и улучшая качество жизни.
Будущее энергоэффективности
Очевидно, что в будущем энергоэффективности будет придаваться всё более широкий смысл, охватывающий технологии, экологию, экономику и социум. В основе всего будет лежать идея справедливого распределения ресурсов между странами и поколениями.
Таким образом, энергоэффективность перестаёт быть узкотехническим термином. Сегодня это многогранная концепция, которая отражает стремление человечества к устойчивому развитию, технологическому прогрессу и созданию общества равных возможностей. Её эволюция — это наглядный пример того, как меняются наши представления об окружающем мире и взаимоотношениях с ним.
Переходя к оценке возможных перспектив развития энергетики, необходимо определиться с базовыми принципами, на которых будет строиться архитектоника[23] энергосистем будущего. Централизованная энергетика, основанная на крупных электростанциях и протяжённых сетях, долгое время была основой мировой энергосистемы. Но с развитием технологий и ростом интереса к устойчивому развитию на первый план выходит распределённая (децентрализованная) генерация, которая позволяет производить энергию ближе к потребителю, регулируя её использование с помощью различных систем накопления и хранения. Однако будущая энергетика будет формироваться не в противопоставлении этих двух подходов, а в их синергии на основе децентрализации, когда обе системы дополняют и усиливают друг друга. Опорным элементом, создающим условия для такой синергии, станет «интернет энергии» (Internet of Energy, IoE)[24], чья концепция аналогична интернету информации. IoE предполагает создание интеллектуальных сетей, которые смогут объединить всю совокупность источников энергии и её потребителей в единую систему. С помощью цифровых технологий, таких как «интернет вещей», блокчейн[25] и искусственный интеллект, станет возможным эффективно управлять потоками энергии в реальном времени, минимизируя потери и повышая надёжность энергоснабжения. При этом централизованная энергетика сохранит свою роль в обеспечении базовой нагрузки в регионах с высокой плотностью населения и крупными промышленными центрами. Распределённая же генерация будет охватывать удалённые территории и поддерживать устойчивость общей энергосистемы, обеспечивая надёжное энергоснабжение локальных сообществ в случае аварий в централизованной сети. В итоге должна быть создана более гибкая, устойчивая и экологически чистая энергосистема, способная удовлетворить потребности человечества в XXI веке.
В заключение попытаемся кратко сформулировать наше видение будущего энергетики. Итак, нефть и газ ещё долго будут основой мировой энергетики, так как переход к сопоставимым по потенциалу альтернативам — процесс не одного десятилетия.
Возобновляемые источники энергии сохранят и укрепят свои нынешние позиции, но не смогут полностью заменить другие виды генерации.
Доля атомной энергетики будет возрастать, и она станет важнейшей частью энергобаланса. Имевшие место крупные аварии должны не отпугивать, а, напротив, стимулировать развитие более безопасных технологий.
Водород — это технология следующего поколения. По мере устранения имеющихся проблем, он, благодаря своей универсальности, постепенно займёт доминирующее положение в мировой энергетике.
И, наконец, управляемый термоядерный синтез. Его практическая реализация представляет собой задачу колоссальной сложности. Это не вопрос ближайшего будущего, но, возможно, единственный путь к по-настоящему устойчивой энергии.
Энергетическое будущее планеты не лежит в одном направлении. Вместо этого нас ждёт комплексное использование всех технологий, где нефть и газ станут глобальным резервом, ВИЭ и водород — локомотивами технологического прогресса, а атомная энергетика — стабильным базисом, обеспечивающим уверенное продвижение по всем направлениям.
Литература:
- Ломоносов М. В. О слоях земных и другие работы по геологии / М. Ломоносов; с предисл. и пояснениями проф. Г. Г. Леммлейна. — М.; Л.: Госгеолиздат. –1949. ‒ 211 с.
- Хант Д. М. Геохимия и геология нефти и газа / Дж. Хант; Предисл. Х. Д. Хедберга; Пер. с англ. А. И. Конюхова и др.; Под ред. Н. Б. Вассоевича, А. Я. Архипова. — М.: Мир. — 1982. ‒ 703, [1] с.: рис., табл. URL: https://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-hunt1982.pdf
- Менделеев Д. И. // Журнал Русского химического общества и физического общества. 1877. Вып. 2. Часть химическая, отдел 1. ‒ С. 36–37.
- Gold, Thomas. (1999). The deep hot biosphere / Thomas Gold; foreword by Freeman Dyson. New York: Copernicus
- Кучеров В. Г. Абиогенное происхождение углеводородов и существование сверхглубоких нефтегазовых скоплений // Вести газовой науки. — 2021. № 4 (49). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/abiogennoe-proishozhdenie-uglevodorodov-i-suschestvovanie-sverhglubokih-neftegazovyh-skopleniy. Дата обращения: 11.03.2025.
- Зелёный поворот / Сост. И. И. Засурский [Электронный ресурс]. — М.: Climatescience.ru. — 2021. — 194 с. URL: https://climatescience.ru/climate-2021–01–11.pdf
- Трегубова Е. А., Трегубов А. И. Интенсивность использования мощности нетрадиционных возобновляемых источников энергии в электроэнергетике: анализ зарубежного и отечественного опыта//E-Management. — 2022. Т. 5, № 3. — С. 15–25. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/intensivnost-ispolzovaniya-moschnosti-netraditsionnyh-vozobnovlyaemyh-istochnikov-energii-v-elektroenergetike-analiz-zarubezhnogo-i Дата обращения: 16.03.2025.
- Дьяков А. Малые модульные ядерные реакторы: перспективы развития. Мировая экономика и международные отношения. –2023. т. 67, № 6. — С. 47–60. https://doi.org/10.20542/0131–2227–2023–67–6–47–60 EDN: ASOOXD
- Liou, Joanne. (2023, September 13). What are small modular reactors (SMRs)? Nuclear Explained. IAEA Office of Public Information and Communication. URL: https://www.iaea.org/newscenter/news/what-are-small-modular-reactors-smrs. Date of access: 20.03.2025.
- Полякова М. Большие перспективы малых реакторов: почему они так популярны. // Страна РОСАТОМ. — 02.05.2019. URL: https://strana-rosatom.ru/2019/05/02/bolshie-perspektivy-malyh-reaktorov/ Дата обращения: 11.03.2025.
- Онсман Алан. «Бурят наудачу»: почему стартапы бросились искать запасы природного водорода // Forbes. — 2023. — 8 июля. URL: https://www.forbes.ru/tekhnologii/491810-burat-naudacu-pocemu-startapy-brosilis-iskat-zapasy-prirodnogo-vodoroda. Дата обращения: 17.03.2025.
[1] Энергетическая бедность – это полное отсутствие энергии, либо отсутствие её достаточного количества для того, чтобы изменить свою жизнь к лучшему. (Здесь и далее все примечания автора статьи. — А.Ф.).
[2] Парадигма — исходная концептуальная схема, модель постановки проблем и их решения. Парадигмы сменяются, когда старые подходы не обеспечивают решения новых проблем.
[3] Декарбонизация – сокращение выбросов углекислого газа. В рамках рассматриваемой парадигмы эта цель должна достигаться без ущерба для общей эффективности и конкурентоспособности углеводородной энергетики.
[4] Антропогенные факторы ‒ связанные с человеком и происходящие от человека и его деятельности явления окружающего мира.
[5] Синергия — интеграция отдельных составляющих в систему, приобретающую свойства, не присущие каждой из этих составляющих порознь, и при этом обладающую эффективностью, существенно превосходящей эффект от каждого отдельно взятого компонента, а также их суммарный эффект, как результат простого сложения.
[6] Биомаркеры — это органические соединения с определенным углеродным скелетом, который может быть связан с известным биологическим предшественником.
[7] Гемы (от др.-греч. ἁίμα — «кровь») ‒ промежуточный продукт метаболизма гемоглобина.
[8] Природные органические соединения растительного и животного происхождения.
[9] Фримен Джон Дайсон — американский физик-теоретик, один из создателей квантовой электродинамики. Член Лондонского королевского общества и Национальной академии наук США, иностранный член Российской академии наук.
[10] Маракушев Алексей Александрович — советский и российский учёный, академик Российской академии наук, заслуженный профессор МГУ, почётный профессор Китайского геологического университета.
[11] Существуют различные гипотезы, объясняющие восполнение запасов нефти. Одни учёные связывают этот феномен с глубинными процессами и водородной дегазацией, другие — с миграцией углеводородов из соседних участков. Дискуссии продолжаются, и каждая версия имеет своих сторонников и оппонентов.
[12] «Нефтяное окно» — современный научный термин, обозначающий необходимые условия для превращения органики в нефть. Ему соответствуют следующие параметры: глубина 1,5-6 км., температура от 70 до 190 градусов по Цельсию.
[13] Бум (англ. boom — подъем ) — кратковременный, иногда искусственно возбуждаемый подъем производства, торговли, деловой активности.
[14] Интермиттентность в энергетике — это непостоянство выработки электроэнергии за счёт возобновляемых источников, обусловленное природными факторами (погодой, временем суток, сезонностью).
[15] КИУМ — важнейшая характеристика эффективности работы предприятий электроэнергетики, показывающий, какую долю времени они работают на полной мощности. Этот параметр зависит не только от технологического совершенства станции, но и от климатических и погодных условий, квалификации персонала, эффективности управления, а также целого ряда других факторов.
[16] Флуктуации — случайные и периодические изменения (такие как суточные и сезонные циклы) в доступности энергии, чаще всего наблюдаемые в солнечной и ветроэнергетике.
[17] Бьеф — часть водоёма, примыкающего к гидротехническому сооружению. Верхний бьеф обычно является водохранилищем.
[18] «Люди длинной воли» — это пассионарии , выходящие на первый план исторической реальности в критические моменты цивилизационного цикла. Пассионарность — способность и стремление менять сложившиеся реалии. Оба выражения принадлежат историку Льву Гумилёву, автору выдающегося труда «Этногенез и биосфера Земли».
[19] МАГАТЭ — Международное агентство по атомной энергии (англ .International Atomic Energy Agency, IAEA ), ведущая мировая межправительственная организация по научно-техническому сотрудничеству в ядерной сфере. Входит в структуру ООН.
[20] Паттерн (англ. pattern ‒ образец, шаблон) — устойчивый и стабильный способ поведения и реагирования человека на определённые ситуации.
[21] Экономика замкнутого цикла, или цикличная экономика (от англ. circular economy ) — это модель хозяйствования, базирующаяся на возобновлении ресурсов; система, при которой производство и потребление не образуют отходов.
[22] Индустрия 4.0 (Четвертая индустриальная революция) — переход на полностью автоматизированное цифровое производство, управляемое интеллектуальными системами, с перспективой создания глобальной промышленной сети вещей и услуг.
[23] Архитектоника — сочетание частей в одном стройном целом, композиция.
[24] Internet of Energy (IoE) — совокупность технологий и бизнес-моделей, обеспечивающая возможность гибкого горизонтального взаимодействия «всех со всеми», и связывающая между собой производство, передачу и потребление электроэнергии. При этом становится возможным объединение ролей потребителя и производителя энергии в одном лице.
[25] Блокчейн-решения в энергетике используются для расширения спектра участников рынка и подключения к нему новых игроков. Из цепочки создания стоимости энергии удаляются посредники, а потребители и производители получают возможность выполнять транзакции и договариваться самостоятельно и напрямую. Этот тренд получил название «демократизации энергетики»
