Свежий взгляд
на межтопливную конкуренцию
ВЗГЛЯД / ОКТЯБРЬ #7_2023
Беседовала Надежда ФЕТИСОВА / Фото: АСЭ, Unsplash.com, Страна Росатом
Мировой энергетический кризис и глобальная перестройка цепочек торговли энергоносителями актуализируют вопрос об оптимальной архитектуре энергосистемы как на уровне стран и регионов, так и для отдельных компаний. Юлия Ляшик, старший специалист Проектного центра по энергопереходу и ESG Сколтеха, консолидировала результаты комплексной оценки систем производства электроэнергии по ключевым факторам их конкурентоспособности и выяснила, что́ может повлиять на конкурентоспособность в долгосрочной перспективе.
Для оценки экологической устойчивости различных технологий широко используется методология Life Cycle Assessment (LCA), учитывающая выбросы парниковых газов (ПГ) на каждом этапе жизненного цикла. Согласно данным Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии (NREL), которая в 2021 году провела работу по гармонизации LCA, выбросы ПГ в технологиях производства электроэнергии из ВИЭ и АЭС в целом ниже, чем в технологиях, основанных на ископаемом топливе. Кроме того, в зависимости от технологии различаются доли выбросов ПГ на каждом этапе жизненного цикла. В технологиях, работающих на ископаемом топливе, к выбросу подавляющего большинства ПГ приводит сжигание топлива во время эксплуатации объекта. В технологиях ядерной и возобновляемой энергетики бо́льшая часть выбросов ПГ происходит до начала эксплуатации.
Около 99 % выбросов ПГ в жизненном цикле угольных и газовых электростанций непосредственно связаны с топливным циклом. Значительное влияние на выбросы ПГ в угольных электростанциях может оказать добыча угля за счет выбросов метана (СН4) или нарушения углеродного баланса почвы. При этом для газовых станций особенно важна утечка СН4 из-за высокого (по сравнению с CO2) потенциала его влияния на глобальное потепление.
Около 99 % выбросов ПГ в жизненном цикле угольных и газовых электростанций непосредственно связаны с топливным циклом. Значительное влияние на выбросы ПГ в угольных электростанциях может оказать добыча угля за счет выбросов метана (СН4) или нарушения углеродного баланса почвы. При этом для газовых станций особенно важна утечка СН4 из-за высокого (по сравнению с CO2) потенциала его влияния на глобальное потепление.
Что касается ВИЭ, прямые выбросы при производстве электроэнергии на ГЭС отсутствуют, как и у прочих возобновляемых источников, не использующих топливную составляющую. Более того, исследования показали: поглощающая способность водохранилищ ГЭС значительно превышает выбросы ПГ, что подтверждает отрицательный углеродный баланс гидроэнергетических объектов и позволяет говорить о снижении углеродного следа регионов, в которых они располагаются. Углеродный след ветряных и фотоэлектрических солнечных систем значительно снижается по мере увеличения производственных мощностей. Оценка биоэнергетических систем указывает на низкие выбросы ПГ, особенно при их эффективном проектировании и разумном управлении ими.
Выбросы ПГ от ядерной энергетики во много раз ниже по сравнению с традиционными ископаемыми источниками, однако условия и допущения, при которых развертывается ядерная энергетика, могут оказать значительное влияние на величину выбросов ПГ в течение жизненного цикла по сравнению с возобновляемыми технологиями. Так, потенциальное влияние на них снижения содержания урана в урановой руде создает основное различие между ядерными и возобновляемыми технологиями с точки зрения потенциала снижения выбросов ПГ.
Выбросы ПГ от ядерной энергетики во много раз ниже по сравнению с традиционными ископаемыми источниками, однако условия и допущения, при которых развертывается ядерная энергетика, могут оказать значительное влияние на величину выбросов ПГ в течение жизненного цикла по сравнению с возобновляемыми технологиями. Так, потенциальное влияние на них снижения содержания урана в урановой руде создает основное различие между ядерными и возобновляемыми технологиями с точки зрения потенциала снижения выбросов ПГ.
Безопасность
Еще один важный фактор, который следует учитывать при выборе источников энергии, — их безопасность, то есть уровень смертности на единицу производства электроэнергии. В 2021 году Our World in Data представил оценку этого параметра, используя собственную методологию, учитывающую как несчастные случаи и аварии, так и заболевания, вызванные загрязнением воздуха.
Еще один важный фактор, который следует учитывать при выборе источников энергии, — их безопасность, то есть уровень смертности на единицу производства электроэнергии. В 2021 году Our World in Data представил оценку этого параметра, используя собственную методологию, учитывающую как несчастные случаи и аварии, так и заболевания, вызванные загрязнением воздуха.
Показатели смертности от несчастных случаев и загрязнения воздуха на единицу произведенной электроэнергии, (ТВт·ч)
По оценкам Our World in Data, все источники энергии оказывают краткосрочное (посредством загрязнения воздуха и аварий) и долгосрочное воздействие на человека, содействуя изменению климата. При этом атомная энергетика и ВИЭ демонстрируют наименьший уровень смертности, являясь низкоуглеродными источниками. (Для ископаемых видов топлива и биомассы использовались расчетные показатели воздействия на здоровье человека при производстве электроэнергии в Европейском Союзе, опубликованные в медицинском журнале The Lancet в 2007 году.)
Солнечная и ветряная энергии демонстрируют низкий, но не нулевой уровень смертности, связанной с несчастными случаями (столкновение вертолетов с турбинами, пожары при установке оборудования). Геотермальная энергия — система с низким уровнем риска с точки зрения аварий. Гидроэнергетика демонстрирует высокий уровень безопасности — 0,04 смерти на 1 ТВт·ч.
При расчете показателей смертности, связанных с ядерной энергетикой, использовались данные о числе погибших при авариях на Чернобыльской АЭС и АЭС «Фукусима-1». Также следует отметить детальный отчет Европейской комиссии 2021 года, подтвердивший, что на всем жизненном цикле АЭС вред, наносимый этим видом энергии, сопоставим с показателями ВИЭ. Авторы документа напоминают о том, что атомная энергетика требует жестких регуляторных ограничений, особенно в части долгосрочного захоронения радиоактивных отходов. Несмотря на проблемы, связанные с ее общественным восприятием, глобальная ядерная отрасль в последние годы снова получает государственную поддержку.
Солнечная и ветряная энергии демонстрируют низкий, но не нулевой уровень смертности, связанной с несчастными случаями (столкновение вертолетов с турбинами, пожары при установке оборудования). Геотермальная энергия — система с низким уровнем риска с точки зрения аварий. Гидроэнергетика демонстрирует высокий уровень безопасности — 0,04 смерти на 1 ТВт·ч.
При расчете показателей смертности, связанных с ядерной энергетикой, использовались данные о числе погибших при авариях на Чернобыльской АЭС и АЭС «Фукусима-1». Также следует отметить детальный отчет Европейской комиссии 2021 года, подтвердивший, что на всем жизненном цикле АЭС вред, наносимый этим видом энергии, сопоставим с показателями ВИЭ. Авторы документа напоминают о том, что атомная энергетика требует жестких регуляторных ограничений, особенно в части долгосрочного захоронения радиоактивных отходов. Несмотря на проблемы, связанные с ее общественным восприятием, глобальная ядерная отрасль в последние годы снова получает государственную поддержку.
Полная приведенная стоимость электроэнергии
Для сравнения стоимости различных источников электроэнергии часто используется показатель Levelized Cost of Electricity (LCOE), учитывающий все затраты на жизненном цикле электростанции.
Согласно данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), в 2010—2021 годах значительно повысилась конкурентоспособность ВИЭ по сравнению с ископаемым топливом и ядерной энергетикой. LCOE солнечных фотоэлектрических проектов снизился на 88 %, наземных ветряных установок и солнечных концентраторов — на 68 %, а морских ветряных установок — на 60 %. В 2021 году средневзвешенный LCOE новых солнечных и гидроэлектростанций был на 11 % ниже, а морских ветряных станций — на 39 % ниже, чем у самых дешевых вариантов на ископаемом топливе. Геотермальная энергия и биоэнергетика остаются дорогими, но могут сохранять конкурентоспособность в регионах, не входящих в ОЭСР.
Для сравнения стоимости различных источников электроэнергии часто используется показатель Levelized Cost of Electricity (LCOE), учитывающий все затраты на жизненном цикле электростанции.
Согласно данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), в 2010—2021 годах значительно повысилась конкурентоспособность ВИЭ по сравнению с ископаемым топливом и ядерной энергетикой. LCOE солнечных фотоэлектрических проектов снизился на 88 %, наземных ветряных установок и солнечных концентраторов — на 68 %, а морских ветряных установок — на 60 %. В 2021 году средневзвешенный LCOE новых солнечных и гидроэлектростанций был на 11 % ниже, а морских ветряных станций — на 39 % ниже, чем у самых дешевых вариантов на ископаемом топливе. Геотермальная энергия и биоэнергетика остаются дорогими, но могут сохранять конкурентоспособность в регионах, не входящих в ОЭСР.
Срок службы
Срок службы электростанции — важный фактор при определении ее конкурентоспособности. В целом электростанции, работающие на ископаемом топливе, включая атомные, имеют более длительный срок службы, чем ВИЭ, за исключением ГЭС. Срок службы гидроэнергетических объектов — 100 лет, один из самых долгих. Проектный срок службы атомной электростанции с учетом продления может достигать 80 лет, угольной и газовой — 40 и 30 лет соответственно. Для сравнения, этот параметр для солнечных и ветряных электростанций — 25 лет. Геотермальные и биоэнергетические станции способны функционировать 30 лет. Существует тенденция продления срока службы ветряных и солнечных станций, что может поставить их на один уровень с угольной и газовой генерацией.
Срок службы электростанции — важный фактор при определении ее конкурентоспособности. В целом электростанции, работающие на ископаемом топливе, включая атомные, имеют более длительный срок службы, чем ВИЭ, за исключением ГЭС. Срок службы гидроэнергетических объектов — 100 лет, один из самых долгих. Проектный срок службы атомной электростанции с учетом продления может достигать 80 лет, угольной и газовой — 40 и 30 лет соответственно. Для сравнения, этот параметр для солнечных и ветряных электростанций — 25 лет. Геотермальные и биоэнергетические станции способны функционировать 30 лет. Существует тенденция продления срока службы ветряных и солнечных станций, что может поставить их на один уровень с угольной и газовой генерацией.
Системные издержки и стоимость обеспечения пиковой нагрузки
Системные издержки в распределенных системах электроснабжения актуализировались из-за развертывания значительного количества переменных ВИЭ — ветровой и солнечной фотоэлектрической энергетики. Эти затраты включают издержки на резервирование, выравнивание нагрузок и подключение к сети.
Согласно исследованию «Полные затраты на производство электроэнергии», проведенному в 2018 году Агентством ядерной энергии при ОЭСР, системные издержки на уровне сети, связанные со внедрением переменных ВИЭ, достигают значительного размера и увеличиваются не пропорционально доле переменных ВИЭ в вырабатываемой электроэнергии. В сравнении с технологиями базовой генерации, такими как угольные, газовые, атомные и гидроэлектростанции, уровень системных издержек, связанных с внедрением переменных ВИЭ, таких как СЭС и ВЭС, как минимум на один порядок выше.
Системные издержки в распределенных системах электроснабжения актуализировались из-за развертывания значительного количества переменных ВИЭ — ветровой и солнечной фотоэлектрической энергетики. Эти затраты включают издержки на резервирование, выравнивание нагрузок и подключение к сети.
Согласно исследованию «Полные затраты на производство электроэнергии», проведенному в 2018 году Агентством ядерной энергии при ОЭСР, системные издержки на уровне сети, связанные со внедрением переменных ВИЭ, достигают значительного размера и увеличиваются не пропорционально доле переменных ВИЭ в вырабатываемой электроэнергии. В сравнении с технологиями базовой генерации, такими как угольные, газовые, атомные и гидроэлектростанции, уровень системных издержек, связанных с внедрением переменных ВИЭ, таких как СЭС и ВЭС, как минимум на один порядок выше.
Системные издержки на уровне сети для некоторых технологий генерации на основе переменных ВИЭ с уровнем замещения 10% и 30%, $/МВт·ч
Флуктуирующая природа ветровой и солнечной энергетики определяет повышенную стоимость обеспечения пиковой нагрузки по сравнению с АЭС, а также угольными и газовыми электростанциями. При этом для АЭС данный показатель может оказаться относительно невысоким, поскольку современные станции способны при определенных условиях регулировать выработку электроэнергии в соответствии с изменяющимися потребностями. Для ископаемых источников энергии такие затраты высоки, особенно если энергообеспечение основано на старых энергетических системах. Однако современные газовые и угольные электростанции более гибкие, они способны быстро реагировать на изменяющиеся потребности, что может снизить уровень затрат.
Ресурсоемкость и землепользование
В то время как в процессе производства электроэнергии с помощью ВИЭ используются нескончаемые природные ресурсы, для биомассы и ископаемого топлива наибольшую проблему представляет сам источник энергии.
По данным исследования компании GLEX, при производстве электроэнергии из биомассы требуется больше всего сырья из-за низкой плотности энергии по сравнению с ископаемым топливом.
Если говорить о потребности в строительных материалах, необходимых для возведения станций, атомная энергетика потребляет менее 1 тыс. тонн материалов на 1 ТВт·ч — это самый низкий показатель. Потребность ветра в материалах более чем в 10 раз выше. Гидроэнергетика и солнечная энергия требуют еще больше материалов — в 14 и 18 раз соответственно (подавляющее большинство — бетон и сталь). Кроме того, большинство ВИЭ (все, кроме геотермальных) используют в 50−150 раз больше площади, чем традиционные и ядерные системы.
В то время как в процессе производства электроэнергии с помощью ВИЭ используются нескончаемые природные ресурсы, для биомассы и ископаемого топлива наибольшую проблему представляет сам источник энергии.
По данным исследования компании GLEX, при производстве электроэнергии из биомассы требуется больше всего сырья из-за низкой плотности энергии по сравнению с ископаемым топливом.
Если говорить о потребности в строительных материалах, необходимых для возведения станций, атомная энергетика потребляет менее 1 тыс. тонн материалов на 1 ТВт·ч — это самый низкий показатель. Потребность ветра в материалах более чем в 10 раз выше. Гидроэнергетика и солнечная энергия требуют еще больше материалов — в 14 и 18 раз соответственно (подавляющее большинство — бетон и сталь). Кроме того, большинство ВИЭ (все, кроме геотермальных) используют в 50−150 раз больше площади, чем традиционные и ядерные системы.
Потребность в критических видах минерального сырья
С ростом спроса на ВИЭ и системы хранения возникают новые проблемы с редкими и редкоземельными металлами. По данным исследования IEA 2021 года, строительство энергетической системы, основанной на технологиях чистой энергии, существенно отличается от строительства энергосистемы, основанной на углеводородах. Так, при возведении береговой ветряной электростанции потребуется в девять раз больше минеральных ресурсов, чем при строительстве газовой.
Гидроэнергетика и биоэнергетика незначительно повышают спрос на минеральное сырье из-за их низкой материалоемкости. Работа геотермальных станций связана с высокими температурами и коррозийным характером среды, поэтому она требует использования специальных сталей с высоким содержанием хрома, молибдена, никеля и титана. Атомная энергетика считается технологией с низкой минералоемкостью.
Главный вызов, влияющий на доступность и надежность поставок, — ограниченное количество стран, добывающих редкие металлы, и как следствие — концентрация их производства в нескольких регионах. IEA предлагает несколько решений в рамках стратегии диверсификации и снижения рисков, включая разработку альтернативных материалов, повышение эффективности использования редких металлов, развитие их переработки и повторного использования, а также снижение материалоемкости и инвестиции в инновации.
С ростом спроса на ВИЭ и системы хранения возникают новые проблемы с редкими и редкоземельными металлами. По данным исследования IEA 2021 года, строительство энергетической системы, основанной на технологиях чистой энергии, существенно отличается от строительства энергосистемы, основанной на углеводородах. Так, при возведении береговой ветряной электростанции потребуется в девять раз больше минеральных ресурсов, чем при строительстве газовой.
Гидроэнергетика и биоэнергетика незначительно повышают спрос на минеральное сырье из-за их низкой материалоемкости. Работа геотермальных станций связана с высокими температурами и коррозийным характером среды, поэтому она требует использования специальных сталей с высоким содержанием хрома, молибдена, никеля и титана. Атомная энергетика считается технологией с низкой минералоемкостью.
Главный вызов, влияющий на доступность и надежность поставок, — ограниченное количество стран, добывающих редкие металлы, и как следствие — концентрация их производства в нескольких регионах. IEA предлагает несколько решений в рамках стратегии диверсификации и снижения рисков, включая разработку альтернативных материалов, повышение эффективности использования редких металлов, развитие их переработки и повторного использования, а также снижение материалоемкости и инвестиции в инновации.
Технологические тренды развития устойчивой энергосистемы
Для выстраивания устойчивой энергетической системы необходимо развитие инновационных технологий.
Технология CCUS (улавливание, полезное использование и долгосрочное хранение СО2) может стать основным рычагом снижения уровня выбросов СО2 в атмосферу при сжигании угля, газа, нефти и биомассы. Уменьшению экологического воздействия и повышению безопасности в угольной генерации могут содействовать UCG-технологии (underground coal gasification — подземная газификация угля). Экологические инновации нефтегазовых компаний включают, например, использование попутного нефтяного газа (то есть природного углеводородного газа, растворенного в нефти или находящегося в «шапках» нефтяных и газоконденсатных месторождений), биотехнологии и др. Разработка и внедрение новых технологий имеют важное значение для сокращения выбросов метана при добыче и транспортировке углеводородов.
По мере истощения наиболее доступных ресурсов всё большую важность приобретает фактор эффективности добычи углеводородов и других полезных ископаемых. Так, развитие технологий добычи углеводородов, минералов, необходимых для электрохимических накопителей и магнитов, а также урановой руды может оказать значительное влияние на баланс спроса и предложения, расширить границы конкурентоспособности соответствующих энергосистем.
Возобновляемые источники энергии, такие как СЭС, ВЭС и ГеоЭС, требуют постоянных инновационных усилий для повышения их производительности и расширения охвата. Для развития ветровой и солнечной энергетики необходимо продолжать исследования и разработки модулей следующего поколения, ячеек, турбин и конструкций систем, а также компонентов системного баланса, чтобы продолжить снижение затрат. Необходимо восполнить пробелы в инновациях во множестве интеграционных технологий. Новые конструкции и прототипы также необходимы для расширения сферы применения ВИЭ, включая плавучие морские ветряные турбины и усовершенствованные геотермальные системы. Технологии биомассы потребуют разработки новых процессов для снижения затрат и использования новых видов сырья, а рост доли ВИЭ — пересмотра подходов к обеспечению динамической устойчивости энергосистемы.
Энергетические инновации сегодня сосредоточены не только на решении задач, связанных с отдельными отраслями. Возникающие межотраслевые тенденции, такие как цифровизация и кибербезопасность, требуют от энергетической отрасли развития сотрудничества с другими отраслями для создания межотраслевых продуктов и решений. Примерами таких технологий могут служить технологии лазерного сканирования, цифрового моделирования и автоматизированного проектирования, автоматизированные технологии добычи, БПЛА, предиктивная аналитика, усовершенствованные датчики, облачные платформы, анализ больших данных, а также современные программные алгоритмы, детальные физические модели и методы вероятностного анализа безопасности. Те отрасли ТЭК и компании, которые выстроят наиболее эффективные «конвейеры инноваций», будут доминировать в энергосистемах будущего.
Для выстраивания устойчивой энергетической системы необходимо развитие инновационных технологий.
Технология CCUS (улавливание, полезное использование и долгосрочное хранение СО2) может стать основным рычагом снижения уровня выбросов СО2 в атмосферу при сжигании угля, газа, нефти и биомассы. Уменьшению экологического воздействия и повышению безопасности в угольной генерации могут содействовать UCG-технологии (underground coal gasification — подземная газификация угля). Экологические инновации нефтегазовых компаний включают, например, использование попутного нефтяного газа (то есть природного углеводородного газа, растворенного в нефти или находящегося в «шапках» нефтяных и газоконденсатных месторождений), биотехнологии и др. Разработка и внедрение новых технологий имеют важное значение для сокращения выбросов метана при добыче и транспортировке углеводородов.
По мере истощения наиболее доступных ресурсов всё большую важность приобретает фактор эффективности добычи углеводородов и других полезных ископаемых. Так, развитие технологий добычи углеводородов, минералов, необходимых для электрохимических накопителей и магнитов, а также урановой руды может оказать значительное влияние на баланс спроса и предложения, расширить границы конкурентоспособности соответствующих энергосистем.
Возобновляемые источники энергии, такие как СЭС, ВЭС и ГеоЭС, требуют постоянных инновационных усилий для повышения их производительности и расширения охвата. Для развития ветровой и солнечной энергетики необходимо продолжать исследования и разработки модулей следующего поколения, ячеек, турбин и конструкций систем, а также компонентов системного баланса, чтобы продолжить снижение затрат. Необходимо восполнить пробелы в инновациях во множестве интеграционных технологий. Новые конструкции и прототипы также необходимы для расширения сферы применения ВИЭ, включая плавучие морские ветряные турбины и усовершенствованные геотермальные системы. Технологии биомассы потребуют разработки новых процессов для снижения затрат и использования новых видов сырья, а рост доли ВИЭ — пересмотра подходов к обеспечению динамической устойчивости энергосистемы.
Энергетические инновации сегодня сосредоточены не только на решении задач, связанных с отдельными отраслями. Возникающие межотраслевые тенденции, такие как цифровизация и кибербезопасность, требуют от энергетической отрасли развития сотрудничества с другими отраслями для создания межотраслевых продуктов и решений. Примерами таких технологий могут служить технологии лазерного сканирования, цифрового моделирования и автоматизированного проектирования, автоматизированные технологии добычи, БПЛА, предиктивная аналитика, усовершенствованные датчики, облачные платформы, анализ больших данных, а также современные программные алгоритмы, детальные физические модели и методы вероятностного анализа безопасности. Те отрасли ТЭК и компании, которые выстроят наиболее эффективные «конвейеры инноваций», будут доминировать в энергосистемах будущего.
Оценка факторов конкурентоспособности различных энергетических технологий
Заключение
Из приведенной комплексной оценки факторов конкурентоспособности различных энергосистем следует, что ни одну из них нельзя назвать лучшей по всем параметрам. В целом, с точек зрения безопасности, выбросов ПГ и ресурсоемкости, ВИЭ и атомная энергия имеют преимущества перед ископаемым топливом. В свою очередь, с точек зрения системных издержек и потребности в редких металлах имеют преимущество традиционные электростанции. При этом LCOE переменных ВИЭ ниже, чем самый дешевый вариант производства электроэнергии на ископаемом топливе.
Внедрение инноваций в большинстве случаев может оказать мультипликативный эффект на несколько факторов конкурентоспособности.
Из приведенной комплексной оценки факторов конкурентоспособности различных энергосистем следует, что ни одну из них нельзя назвать лучшей по всем параметрам. В целом, с точек зрения безопасности, выбросов ПГ и ресурсоемкости, ВИЭ и атомная энергия имеют преимущества перед ископаемым топливом. В свою очередь, с точек зрения системных издержек и потребности в редких металлах имеют преимущество традиционные электростанции. При этом LCOE переменных ВИЭ ниже, чем самый дешевый вариант производства электроэнергии на ископаемом топливе.
Внедрение инноваций в большинстве случаев может оказать мультипликативный эффект на несколько факторов конкурентоспособности.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ