Врожденное проклятие «зелёной энергетики»

Примерно с неделю назад меня попросили ответить на простой вопрос: при какой себестоимости киловатт-часа «зеленая энергетика станет конкурентно способна с «обычной», в том числе и атомной. И вопрос не праздный. Имя Греты Тунберг гремит в СМИ, её фотографии мельтешат в сетевых дискуссиях. Да и не в этой девочке дело. Парижское соглашение по климату 2015 года призывает к уменьшению выбросов СО2-эквивалента, причем с 2025 года планируют брать по 60 евро за каждую дополнительную тонну. Вы только вдумайтесь в эту цифру! Это по 220 евро с каждой дополнительно сожженной тонны углерода. Или по 40 евро с каждой дополнительно сожженной тысячи кубометров природного газа. Неплохая такая «прибавка», не правда ли? Поневоле задумаешься, «а стоит ли игра свеч?»

И ведь недавно, при куда меньших тарифах, министерство энергетики Германии признало, что расширение «зеленой энергетики» привело к парадоксальному следствию – пришлось увеличить расход угля, чтобы компенсировать высокую долю слишком дорогой (во всех смыслах) «зеленой энергетики». И Германия, так старавшаяся снизить выбросы, вернулась практически к уровню 1990-х годов, с которого стартовала.

На это адепты «зеленой энергетики» отвечают достаточно стандартно. Мол да, сегодня она обходится недешево, но прогресс не стоит на месте, она дешевеет… Вот, мол, в Испании уже проект гелиоэнергетической станции озвучили, которая будет продавать электричество по 1.5 евроцента за кВт.ч. Так что, возможно, скоро, наоборот, именно «зеленая энергетика» станет самой дешевой? 

Казалось бы, не так трудно  найти себестоимости электроэнергии обычных ГЭС, ТЭС (т.е. тепловых электростанций, работающих на органическом топливе – природном газе, угле, торфе, горючих сланцах, мазуте) и АЭС да сравнить? И вот как только себестоимость опустится ниже,  так, значит, точка конкурентоспособности  и достигнута, верно?

Нет, это совсем не так. Эли, точнее, совсем не так. И на этом и «споткнулась» Германия. Дело в том, что электроэнергетика имеет две особенности. Первая отличает её от многих других отраслей экономики: электроэнергия не может храниться на складе, как автомобиль или зерно, и передается она потребителю со скоростью, близкой к скорости света. Поэтому энергетики вынуждены постоянно поддерживать баланс, выдавая в сеть ровно столько энергии, сколько в данный момент расходуют потребители (с учетом потерь в сети, разумеется, сеть – такой же потребитель).

Вторая особенность – электроэнергетика, как и любая сложная система, подвержена отказам, поломкам и ложным срабатываниям защиты. И потому в любой момент может отключиться крупный энергоблок или выйти из эксплуатации линия электропередач. А значит, приходится держать резерв. Как «холодный», который можно запустить за часы или дни, так и «горячий», «вращающийся», который запускается буквально за минуты, чтобы заменить выбывшую мощность и все равно подать потребителю ровно столько мощности, сколько ему нужно, не дав ни частоте отклониться, ни напряжению упасть.

Ведь потребители меняют потребление так, как им угодно. Пик потребления приходится на утренние и вечерние часы. А ночью наблюдается «провал», потребление падает до 30-40% от суточного максимума. Да и по временам года потребление неравномерно. Больше всего потребляется зимой, когда надо больше освещать и обогревать. Но и летом кондиционеры могут в жару дать нагрузки даже больше, чем зимой. В Москве, например, это уже лет 12 наблюдается.

Возобновляемые же источники энергии (ВИЭ) выдают энергию чаще всего по своему графику. Солнце, как легко понять, вообще ничего не вырабатывает ночью. Да и днем пик мощности приходится на полдень, т.е. на «межпиковый спад». Да и погода влияет. Если идет дождь, туман или облачно, то в этот день гелиоэнергетика «недодаст» энергии. Опять же, зимой солнце светит куда слабее, чем летом. Ветер тоже дует по своим графикам. И ветроэнергетика страшно капризна. Выдаваемая «ветряками» мощность в первом приближении пропорциональна кубу скорости ветра. Т.е. если «ветряк»  выходит на номинал, к примеру, при 7 м/с (наиболее частый проект), то при 5 м/с он будет выдавать не 70% мощности, как многие думают, а всего лишь ~ 1/3. Это теоретически, реально же он выдает не более четверти. Именно поэтому, кстати, «ветряки» громоздят не где попало, а в особых местах, где ветер дует достаточно ровно и большую часть года.

Даже мини-ГЭС и микро-ГЭС имеют недостатки. Обычно у них водохранилище либо вообще отсутствует, либо очень мало. И потому  в маловодные периоды выработка на них существенно сокращается.

Зачем такой долгий рассказ? Что из этого следует? Да то, что упомянутое выше регулирование и резерв сегодня обеспечиваются исключительно за счет традиционной энергетики! В первую очередь, разумеется, за счет ГЭС. Гидроэлектростанции – источники близкие к идеалу. Нулевой расход топлива. Очень небольшой штат, на порядок меньший, чем у ТЭС или АЭС равной мощности. Служат не десятилетиями, а более века. КПД выше 90%. И могут быть очень маневренными, чутко отслеживая потребности энергосистемы. Даже капитальные затраты не так уж и велики, обычно они составляют 2500-3000 $ за кВт установленной мощности (у газовых ТЭС это 1000-1500 $/кВт, у угольных ~ 1800 $/кВт, а у АЭС – 3000-4000 $/кВт, т.е. ГЭС не очень-то и дороги).

Практически у них всего один недостаток – мест, куда можно «воткнуть» ГЭС, да так, чтобы она использовала свою мощность не менее 3000 часов в год, не так уж и много. Нужен специальный рельеф, удобный для плотины, «чаша» водохранилища, существенный перепад высот и главное – к плотине ГЭС должна в больших количествах собираться вода.

J

Например, в России построенные ГЭС покрывают всего ~ 10% потребности в электроэнергии. А ведь наша страна считается еще довольно «богатой» на коммерческие гидроресурсы. (примечание: именно мы используем всего около половины ресурса. К сожалению, значительная часть мест, удобных для ГЭС у нас находится там, где потребителей рядом «не случилось». А тянуть электросети было коммерчески невыгодно. Но постепенно и мы до «резерва» добираемся). 

Вот и приходится «добирать» другими источниками. На втором по привлекательности месте стоят АЭС. Да, они дороги, в 2-3 раза дороже ТЭС, но… У них есть замечательное свойство – они не сжигают органического топлива. Т.е., с точки зрения «зеленных» - не дают выбросов. Но и не для «зеленых» в этом есть существенный плюс – атомное топливо стоит очень дешево. Как правило, не дороже 0,2 цента на кВт.ч. Т.е. да, атомную станцию дорого построить, но зато потом «выключать» её глупо. Затраты-то уже понесены, и надо бы дать ей окупиться. Увы, но ряд стран по политическим причинам  отключал свои АЭС. Литва отключила Игналинскую АЭС, Германия не только не строит новых АЭС (отдел в «Сименсе», занимавшийся проектированием и строительством АЭС сначала сократили в численности, а потом и вовсе закрыли), но и планирует досрочное закрытие уже действующих. По этому же пути шли болгары с венграми, но притормозили, «посчитав стоимость». Япония остановила производство энергии на АЭС и планирует совсем закрыть их. Соединенные Штаты возобновили строительство АЭС только в 2013-м году, но и они осилили строительство всего двух новых блоков.

Но даже если не учитывать нуклеофобии населения (фобии отчасти обоснованной, признаем. Аварии на Три-Майл-Айленде, в Чернобыле и Фукусиме  неплохо её подпитали), то у АЭС есть и другие недостатки. Они не только требуют куда большей «зоны отчуждения», чем обычные ТЭС. У них, в силу особенностей физики процессов. Идущих в реакторах, очень высокая инерция. Если уж реактор начали «глушить», снижая мощность, то приходится сначала несколько часов останавливать его, потом дать несколько суток на распад образовавшегося там радиоактивного йода, и затем еще сутки-полтора выводить на мощность. Да и набор мощности на АЭС ведут достаточно медленно, чтобы процесс не выходил из под контроля. 

Кроме физических ограничений работает ещё и экономика – ведь АЭС – самый дорогой тип электростанций, с очень дешевым топливом. Глупо грузить их не «на полную». Глупо и дорого.

Именно поэтому АЭС в маневрировании мощностью»  не задействованы. А что же остается? А остаются те самые ТЭС, станции на органическом топливе. Вот они достаточно маневренные, имеют широкий предел регулирования (на втором месте после ГЭС, но, в отличие от них, ТЭС можно ставить в любом почти месте). 

Да, именно им «выпадает честь» служить недостающим резервом. И «холодным», и «горячим», «вращающимся». И да, именно поэтому электроэнергетика Европы до сих пор выбрасывают столько СО2. Нет, разумеется, это касается не всех стран. Норвегия и Финляндия имеют достаточно ГЭС, чтобы вообще обойтись без ТЭС в резервировании. Да и у нас в стране есть хороший «зеленый» регион – Мурманская область. Кольская АЭС дает около половины электроэнергии, а остаток выдают многочисленные тамошние ГЭС. Так что органическое топливо тамошние энергетики жгут только для нужд отопления. 

Но большая часть Европы обойтись без ТЭС не может. Даже Франция, которая, как многим известно, около 80% своей электроэнергии вырабатывает на АЭС, вынуждена помимо ~ 70 ГВт «атомной» мощности» держать еще 59 ГВт «гидро» и «ТЭС» (почти пополам). 

Да, именно так! Почти половина установленной мощности Франции – «не атомные» При менее, чем 20% выработки. Именно для регулирования и резервирования. И это с учетом того, что всего 10% установленной мощности (~ 17 ГВт) приходится на «зеленую» энергетику. Если доля  станет больше (как уже было в Германии), придется останавливать часть АЭС, нести убытки, но увеличивать долю ТЭС в балансе. И – да, парадокс, - увеличивать не только стоимость, но выбросы СО2.

Вот теперь можно вернуться к заданному мне  вопросу: есть  ли выход для «зеленых»? Можно ли все же обойтись без резервирования от ТЭС и их выбросов СО2, если еще сильнее удешевить «зеленую энергетику»?

На первый взгляд, ответ положительный. Ибо помимо ГЭС, существуют еще и ГАЭС, то есть гидроаккумулирующие электростанции.  Они напоминают ГЭС, отличаясь только тем, что им не надо так уж много воды. Они в часы спроса вырабатывают электроэнергию, «спуская» воду из верхнего водохранилища в «нижнее», а в часы избытка мощности в системе наоборот, включают насосы и подымают  воду из нижнего водохранилища в верхнее. Да, работают они не идеально, возвращается в 1,5-1,6 раза меньше энергии, чем было затрачено, да и капзатраты выше, чем у обычной ГЭС(нужны еще и насосы, водоводы больших диаметров, второе водохранилище «внизу»),  но все же –основная проблема «зеленых» решается. Теоретически за счет ГАЭС можно создать достаточное количество «вращающегося» и «холодного» резервов в системе, и отказаться от ТЭС. Либо вообще, либо оставить только для нужд отопления. 

Но низкий «коэффициент возврата» и большие капзатраты требуют, чтобы исходное электричество было дешевле, чем у АЭС или ТЭС. Насколько же дешевле? Посчитаем. В продолжении.

Продолжение следует.