Вітру і сонцю назустріч

А шлях і далекий, і борг,

І не можна повернути назад.

Тримайся, геолог, кріпись, геолог,

Ти вітру і сонця брат.

Гімн геологів XX століття

У гімні геологів XX століття йшлося про відкриття геологами родовищ, головним чином, руд, металів і невідновлюваних джерел енергії — нафти, газу і кам’яного вугілля, урану і торію тощо. А вітер і сонце — «брати геолога» — в цій пісні йшли фоном, на якому розгорталися відкриття корисних копалин.

У XXI столітті інші виклики. Тут вже вітер і сонце рвуться в лідери світової відновлюваної енергетики. Рвуться з такою силою і швидкістю, що загрожують потіснити і навіть витіснити з часом вугілля, нафту, газ і атом з простору енергетики. Пройдемося з ручкою і блокнотом з цього нового «відновлюваного поля» і придивимося до цифр і деяких проблем.

Скільки потрібно енергії?

В даний час в світі проживає близько 7,7 млрд осіб (травень 2019 р.) і на кожного в середньому витрачається потужність 2,3 кВт. Загальне споживання енергії наблизилося до величини 0,6· 102¹ джоулів на рік, або 0,6 Q/рік (1 Q = 1021 ^Дж), або близько 20 ТВт потужності (2· 1013 В^т).

Багато це чи мало? Наведена питома потужність середніх потреб людей на Землі (2,3 кВт/год) складається з побутових енерговитрат (холодильник — 150 Вт, комп’ютер — 300 Вт…), витрат на транспорт, промисловість тощо. Перевіримо ще раз зазначені цифри, скориставшись такою інформацією: у 2017 році світ загалом спожив 13,5 мільярда тонн нафтового еквівалента (ТНЕ). Одна ТНЕ з енергії дорівнює 4,2· 101⁰ Дж, а 13,5 млрд ТНЕ складе 0,57 Q/рік, або дійсно близько 2,3 кВт на людину.

У майбутньому (до 2050 р.) очікуються збільшення населення до 10 млрд осіб, деяке зростання питомої потужності споживання енергії і в результаті людству потрібно буде видобувати близько 1 Q/рік, або безперервно споживати 30 ТВт потужності.

Структура виробництва енергії з невідновлюваних і поновлюваних джерел

Таблиця 1

Сформована до теперішнього часу структура виробництва енергії і динаміка її зміни протягом останніх 10 років наведені в таблиці 1. Що випливає з цієї таблиці?

1. Невідновлювані ресурси забезпечують основний виробіток енергії. Їх частка зараз більше 80%.
2. Частка атомної енергетики залишається приблизно постійною на рівні 5%.
3. Що стосується відновлюваних джерел енергії — ВДЕ, — то:
   • найбільше енергії дає поки спалювання деревини та біомаси, але частка цього ресурсу поступово падає і зараз становить близько 10%;
   • на другому місці — гідроенергетика; цей ресурс за величиною абсолютної потужності генерації практично вийшов на стаціонар, так як райони, в яких доцільно будувати ГЕС, в основному вже освоєні; зараз вона становить 2,5%, але в міру зростання сумарного споживання енергії в світі частка гідроенергії буде поступово падати;
   • частка вітру і сонця швидко зростає, хоча поки у світовому виробництві енергії вона невелика;
   • сумарна частка відновлюваних ресурсів (незважаючи на зростання частки вітру і сонця) поки знижується, головним чином через зниження вироблення енергії з деревини і біомаси.

На цьому тлі плани окремих країн з розвитку відновлюваної енергетики, наведені в таблиці 2, виглядають дуже амбітно. Окремо відзначимо ситуацію в Німеччині та Данії. Німеччина після аварії на АЕС в японській Фукусімі прийняла рішення повністю закрити атомну генерацію у себе в країні і форсовано перейти до відновлюваних джерел енергії. У 2014 році сумарна частка ВДЕ в Німеччині склала вже 28% (вітер — 10%, сонце — 6%, гідро — 3%, біо — 9%). У «крихітній» Данії, піонері освоєння вітроенергетики, досягли рівня вітрогенерації в 50% і не збираються на цьому зупинятися. Що стосується «важковаговиків» по населенню (Індія і Китай), то Індія передбачає вийти на 40% ВДЕ до 2030 року. Судячи з того, що в Китаї вже в 2020 році намічено досягти рівня генерації енергії від ВДЕ в 27%, до 2030 року також можна очікувати 35-40%. І навіть Франція, де ядерна енергетика завжди була національним пріоритетом і її частка у виробленні енергії в недавньому минулому досягала 75-78%, останнім часом намічає зростання частки ВДЕ до 40% (до 2035 р.) і поступове зниження атомної генерації до рівня 50% (до 2035 р.).

Таблиця 2

З чим пов’язана така увага до ВДЕ? Тут кілька складових. По-перше — екологічна. При виробництві електроенергії за допомогою відновлюваних джерел енергії (вітер, сонце, гідро) відсутні шкідливі викиди і, особливо, утворення вуглекислого газу (CO₂), що впливає на клімат і глобальне потепління. По-друге — ресурсна. Запаси невідновлюваних джерел енергії на Землі обмежені. Ресурс вітру та сонячної енергії дуже великий і підтримується, поки світить наше небесне світило.

Невідновлювані джерела енергії: ресурси

На малюнку 1 показані основні країни-виробники і очікувані періоди максимуму видобутку цими країнами нафти, газу і кам’яного вугілля. Видно, що в XXI столітті буде пройдено пік видобутку і має відбутися поступове виснаження запасів цих корисних копалин. Зазначимо, що пік видобутку кам’яного вугілля в США, ПАР і Китаї вже минув. Видобуток нафти і газу буде знижуватися вже в найближчі десятиліття в більшості країн, за винятком США і Канади. У сланцях (США) і бітумних пісках і глинах (Канада) досить багато нафти і газу, проте їх витяг викликає серйозні екологічні проблеми. У цьому сенсі ресурси сировини для атомної енергетики істотно вищі. Є можливість використання як уранового, так і торієвого палива, а також спалювання палива в реакторах на швидких нейтронах, що ще більш розширює ресурсну базу атомної генерації. За ступенем впливу на навколишнє середовище з великої трійки невідновлюваних ресурсів (газ, нафта, вугілля) газ є найбільш чистим, кам’яне вугілля — найбільш брудним (викиди електростанцій на газі приблизно в 2 рази менше, ніж на вугіллі; при газовій генерації немає золи і сажі тощо). Газ чистіший, ніж біопаливо. Нарешті, є ще одна найважливіша гідність газової генерації електроенергії — можливість швидкого регулювання потужності, що важливо при балансуванні генерації енергії з її споживанням.

Ріс. 1. Тимчасове становище піків видобутку

Відновлювані джерела енергії, особливості генерації

Мотором, що приводить в рух основні відновлювані джерела енергії, є випромінювання Сонця. Завдяки цьому течуть річки, дме вітер і ростуть рослини. Енергію сонячного випромінювання, руху вітру, течії води і біомасу природно використовувати для потреб людини (рис. 2). Також можна отримувати енергію, використовуючи теплові процеси, що відбуваються в товщі земної поверхні і океанах. Ці відновлювані джерела енергії на невеликому рівні використовувалися споконвіку, але зараз на наших очах відбувається революція в їх застосуванні.

Ріс. 2. Основні види відновлюваних джерел енергії

З відновлюваних джерел енергії гідро і біомаса близькі до насичення, в той час як генерація за допомогою вітру і сонця швидко зростає. На них ми і подивимося ближче. Навскидку — немає проблем. Відома така притча:

У раю Архімед, Паскаль і Ньютон грають у хованки. Архімед водить і починає рахувати. Паскаль тікає за горизонт, а Ньютон озирається, бере палицю, малює навколо себе квадрат зі стороною один метр і стає всередину квадрата. Архімед закінчує рахувати, відкриває очі і бачить Ньютона.

— Я бачу Ньютона!

— Е, ні! Ньютон на квадратний метр — це Паскаль!

Ми теж, як і в цій жартівливій притчі, придивимося спочатку здалеку і потім ближче, яка потужність від відновлюваних джерел припадає на квадратний метр. У ролі Ньютона тут виступить Джеймс Уатт. Питома потужність випромінювання Сонця поблизу орбіти Землі становить 1,4 кВт/м² (сонячна постійна). Якби цю потужність можна було без втрат перевести в електроенергію, то необхідні людству 20-30 ТВт зайняли б площу всього (1,5 ‑ 2)· 101⁰ м2 = 15 000 ‑ 20 000 км2^. Не так багато — площа квадрата зі стороною 120-140 км.

Якщо не вдаватися в деталі, то і з вітром схожа сприятлива картина. Дійсно, потужність N, що розвивається обертовими лопатями вітроагрегату, можна оцінити у вигляді твору сили F на швидкість вітру v:

( N = Fv = frac{ρv^2}{2}Sv ), или ( frac{N}{S} = frac{ρv^3}{2} ,)

де S — ефективна площа,   — щільність повітря. При   = 1,3 кг/м³ і швидкості вітру v = 10 м/с питома потужність становить N/S ауд 650 Вт/м² — величину того ж порядку, що і сонячна постійна.

Здавалося б, все добре. Але якщо придивитися…

Сонячна генерація. Величина електроенергії, що знімається з одиниці площі сонячних панелей в реальних конструкціях, виявляється на кілька порядків нижче. Причин кілька. Наприклад:

• випромінювання Сонця, проходячи атмосферу, приходить на поверхню Землі сильно ослабленим;
• в матеріалі сонячної панелі випромінювання поглинається лише частково;
• ККД перетворення поглиненої енергії на електрику не надто високий;
• в нічний період і при хмарності випромінювання істотно менше.

Що виходить в результаті для реальних конструкцій сонячних панелей? За даними німецьких дослідників (не зацікавлених у заниженні величин), характерна величина питомого енергозйому з сонячних панелей становить всього ауд 1 Вт/м² в середньому по сонячним СЕС у світі, ауд 5 Вт/м² на території Німеччини і ауд 20 Вт/м² в Сахарі. Це призводить до дуже великих площ і величезної витрати матеріалів. В результаті при питомому енергозйомі в 5 Вт/м²для повної заміни необхідної людству енергії (20-30 ТВт) за допомогою СЕС потрібна площа панелей ауд (4 − 6)· 101² м2 = (4 ‑ 6)· 106 ^км2!

Що стосується матеріаломісткості, то наведемо всього пару показових цифр. Відомо, що для забезпечення конструкції сонячних панелей потрібно кілька кілограмів алюмінію на кожен квадратний метр їх площі. Якщо для оцінки взяти 2 кг/м², то при площі панелей (4 ‑ 6)· 101² м2 потрібно близько 101⁰ тонн алюмінію (!). При тій же потребі в матеріалах кожному мегавату електричної потужності, що знімається з сонячної панелі, відповідає 400 тонн металоконструкцій (!).

Вітрова генерація. При використанні вітру потужність, що знімається з вітроагрегату, швидко зростає при збільшенні швидкості (ауд v³). Однак, як і у випадку сонячної генерації, є ряд факторів, що зменшують вихід енергії з одиниці площі. Так, вітроагрегати повинні розташовуватися на достатній відстані один від одного, інакше буде порушено характер течії повітря; площа лопатей вітроагрегату завжди набагато менше замітаної ними площі; вітроагрегати погано працюють при дуже великій і дуже малій швидкості повітря.

Типове значення питомої потужності на одиницю площі земної поверхні, що відчужується вітроагрегатом (за даними німецьких дослідників), становить 2-3 Вт/м². Той же порядок, що в разі сонячної генерації. Тому для повної заміни необхідної людству енергії при використанні вітру будуть потрібні той же величезний рівень необхідних площ для розміщення вітроустановок, близько 10¹³ м² = 10⁷ км², і той же рівень матеріаломісткості. У літературі наводиться така цифра для вітряної генерації: 1 МВт відповідає 100 т сталевих конструкцій вітроагрегату, тобто для повної заміни необхідної енергії вітряною генерацією потрібно близько (2 − 3)· 109 тонн сталевих конструкцій.

В результаті виходить, що перехід на вітер і сонце повинен супроводжуватися величезними витратами матеріалів і дуже великими площами для розміщення обладнання. Причому виробництво цих матеріалів (не кажучи вже про рідкоземельні елементи, що потрібні для виробництва сонячних батарей) не є екологічним. Не випадково Німеччина виводить з країни сталеву і алюмінієву галузі промисловості в країни Південно-Східної Азії і Східної Європи, переміщуючи неекологічні технології в інші регіони світу. Але куди в такому випадку переміщати, якщо всі країни вирішать переходити на вітер і сонце?

Ріс. 3. Тимчасовий характер споживання електроенергії

Тимчасовий баланс споживання та генерації. На малюнку 3 наведено характерний вид кривої споживання електроенергії протягом доби. На ньому можна виділити ранковий і вечірній піки споживання (6-9 год і 18-21 год відповідно) і деякий спад у денний і нічний час. Пік виробництва електроенергії при використанні сонячної генерації, що припадає на денний час, приведений на малюнку 4, а. Чорна крива відповідає безхмарному небу, кольорові — варіантам хмарності. Змінний характер варіантів вітряної генерації показано на малюнку 4, б. Зіставлення картин надходження і споживання електроенергії показує, що кореляції між ними немає і дотримати баланс в кожен момент часу при прямому використанні тільки сонячної і вітряної генерації неможливо.

Ріс. 4. Часовий характер сонячної (а) і вітряної (б) генерації

Коефіцієнт використання потужності відновлюваних і невідновлюваних джерел енергії. Змінний і навіть непередбачуваний характер генерації енергії вітру і сонця призводить до того, що відповідні агрегати використовуються неоптимально і коефіцієнт використання потужності знижується. На атомних електростанціях цей коефіцієнт досягає 95-98% (в середньому він вище 80%). Для вітроагрегатів він становить приблизно 17% в середньому по Європі, 15-20% в Німеччині, 15% в Китаї, 25% в США, де багато територій, на яких постійно дують сильні вітри. Для сонячних електростанцій коефіцієнт використання потужності близько 10% у Німеччині, 15% у Франції, 15-10% у США. Це означає, що встановлена потужність генерації вітру і сонця, тобто та, яку можна було б отримувати за оптимальних умов, істотно перевищує потужність, яка фактично виробляється.

Що робити?

Повернемося до таблиці 2, в якій відображені плани різкого збільшення частки відновлюваних джерел енергії, і спробуємо намацати шляхи виходу з проблем балансування генерації і споживання електроенергії при високому рівні частки вітряної і сонячної генерації, що швидко змінюється в часі. Із загальних міркувань відзначимо, що необхідна своєрідна «основа», або «енергетична подушка», тобто «постійний енергетичний фон», на якому буде виростати «надбудова» у вигляді змінної вітряної і сонячної генерації. Потім потрібні системи, які можуть швидко змінювати потужність, що видається в електричну мережу, компенсуючи стрибки вітряної і сонячної генерації. Нарешті, необхідні системи накопичення надлишків енергії з тим, щоб у потрібний час витратити їх.

На роль «постійного енергетичного фону» ідеально підходить атомна енергетика. Її кращі показники відповідають постійній потужності генерації, тому нинішню частку (5% у світовій енергетиці) бажано не знижувати, а навпаки нарощувати. Підходять і енергія ГЕС, нинішній рівень якої (3%) також зменшувати небажано, і використання біомаси для виробництва електроенергії. Таким чином, можна забезпечити «фон» на рівні мінімум 20% світового споживання електроенергії (краще — ще більше).

Важливою складовою може стати газова генерація. Вона, з одного боку, є найбільш чистою з нинішньої «великої трійки» (газ, нафта, вугілля). З іншого боку — запаси газу досить великі (в рамках XXI століття). Нарешті, газові електростанції можуть збільшувати постійний «фон» виробництва електроенергії і, що дуже важливо, дозволяють легко і швидко змінювати потужність, що видається в мережу.

Варіанти на основі гідроакумулюючих електростанцій — ГАЕС — також важливі при покритті піків і спадів потужності. Згідно з принципом дії, ГАЕС закачує воду в басейн нагору, коли є надлишок потужності, і скидає воду вниз, виробляючи електроенергію, коли потужності не вистачає.

Крім того, використання біомаси для виробництва енергії теж не можна скидати з рахунку. Її можна використовувати і для підтримки «фону», і для компенсації піків споживання потужності.

А що робити, якщо рівень вітряної і сонячної генерації стане дуже великим? У цьому випадку знадобляться більш радикальні рішення. У літературі запропоновано такий комплекс заходів:

• створити резерв потужностей невідновлюваних джерел;
• збільшити встановлену потужність відновлюваних джерел (запас по генерації ВДЕ);
• перекачувати потужність з регіонів, де вона в надлишку, в ті регіони, де її не вистачає (мережі передачі енергії);
• акумулювати надлишкову енергію з метою її використання під час недостатньої вітро- та сонячної генерації (накопичувачі).

Коротко зупинимося на цих заходах.

Якщо енергосистема заснована тільки на вітровій і сонячній генерації, то необхідний резерв невідновлюваних джерел тієї ж потужності. Фактично це призводить до дублювання пристроїв генерації потужності, причому кожен з елементів використовується неоптимально.

Якщо істотно підвищити встановлену потужність вітро- і сонячної генерації так, щоб навіть при слабкому вітрі і слабкому освітленні енергії було достатньо, то пристроїв генерації буде потрібно набагато більше. Було підраховано, що при частці вітру і сонця 60% цих пристроїв потрібно вдвічі більше, при 80% — в 6 разів більше і при 100% — в 10 разів більше (!). Це величезна витрата ресурсів, які знову ж таки використовуються неефективно.

Розвиток магістральних систем передачі енергії в інші регіони вимагає радикального оновлення мереж і збільшення їх пропускної здатності в 7 разів при частці вітру і сонця 60% і в 12 разів при 100%. Завдання дуже амбітне.

Використання накопичувачів або акумуляторів енергії спрощує завдання балансування виробленої і споживаної потужності і в принципі може дозволити повністю обійтися без невідновлюваних джерел енергії. Однак зберігання надлишкової енергії у великих масштабах стикається з невирішеними поки проблемами — ємністю накопичувачів, ресурсом, тобто кількістю циклів зарядка-розрядка, втратами при зарядці і розрядці. Крім того, для виготовлення накопичувачів потрібно витратити досить велику кількість енергії. Так, в Європі при використанні в якості накопичувачів літій-іонних батарей і ефективності циклу зарядка/розрядка в 85% для виробництва цих батарей потрібна енергія, що в 15 разів (!) перевищує нинішнє річне споживання енергії в Європі.

Останнім часом дуже широко обговорюється перехід до так званої водневої енергетики. Сама назва натякає на новий спосіб виробництва енергії. Але фактично це один з варіантів накопичувача (акумулятора) енергії, в якому спочатку отримують водень з води, витрачаючи енергію, потім зберігають її (в балонах або паливних осередках) і, нарешті, вивільняють по мірі потреби (наприклад, в автомобілі).

Стосовно світової енергетики з великою часткою вітро- і сонячної генерації цей спосіб виявляється не надто ефективним. Дійсно, ККД отримання водню з води становить 65-70%, а ККД отримання електрики з водню ауд 50%. Таким чином, сумарний ККД становить всього 30-35%, тобто більша частина енергії викидається на вітер. Водночас використання водню як виду палива (у транспорті) в принципі може стати реальною заміною нафти, запаси якої досить обмежені.

***

У результаті розвитку відновлюваних джерел енергії зараз надано великий імпульс. Рівень витрат на вітро- і сонячну генерацію перевищив один трильйон доларів (!). У міру зростання частки ВДЕ з’явилися проблеми і фактори, що стримують її розвиток: дублювання потужностей, керованість, мережі та втрати в мережах, ресурс обладнання, повільний розвиток накопичувачів, ККД накопичувачів, низький коефіцієнт використання потужності. Найближчі 10-20 років покажуть, наскільки реальні плани і амбіції, як вдасться вирішити проблеми і яким виявиться на ділі рівень ВДЕ в світі.

При підготовці статті використовувалися дані А. Анпілогова, С. Безгіна і Д. Станкевича.