Какой источник энергии самый чистый?

Единицы измерения экологичности

На каждый сложный природный процесс обычно влияет множество факторов, и очень удобно, когда их удается свести всего к одному главному. Наверное, примерно такой логикой пользовалось мировое сообщество, сведя воздействие на окружающую среду к «углеродному следу» — объему углекислого газа (CO2), который выделяется при производстве единицы энергии.

CO2 выбран потому, что его объем в атмосфере — наибольший среди парниковых газов, а значит, именно углекислый газ дает самый заметный вклад в глобальное потепление. Так как глобальное потепление может критично изменить климат (и осложнить существование человечества), ведущие страны мира пытаются бороться с ним, вводя инициативы по сокращению выбросов углекислого газа.

Единый фактор оценки экологичности удобен: не надо держать в голове разные факторы источников энергии — их влияние на окружающую среду оценивается по одной шкале. В нашем случае за такую шкалу приняли объем выбросов углекислого газа.

Например, электромобили считаются экологичным транспортом с нулевым выбросом. При этом выводится за скобки как процесс их создания, так и источник электричества для машин, а ведь довольно часто это ТЭЦ на угле. Безусловно, при использовании электротранспорта воздух самих городов становится чище, но проблему глобального потепления такой подход не решает.

Широкое поле для спекуляций мы видим и при выборе самого загрязняющего окружающую среду источника энергии. Например, полный цикл создания и использования электростанции на угле приводит к выбросам 820 тонн СО2 на 1 ГВт*ч выработанной энергии. Чуть меньше у нефти — 720 тонн, и почти вдвое скромнее природный газ — 490 тонн. Многие страны пытаются их заменить на «зеленые» источники энергии, которые выделяют при сгорании меньше углекислого газа. Вроде бы все логично, но… «следите за руками»! Биотопливо — понятный зеленый источник энергии, при его использовании выделяется 78-230 тонн СО2 на выработку 1 ГВт*ч. Важно, что используемые для получения биотоплива растения были выращены специально для решения этой задачи. То есть весь выделяемый при сгорании углекислый газ вроде бы был первоначально изъят из природы (и это хорошо) растениями, которые потом пустили на биотопливо. Гидроэлектростанции (ГЭС), солнечные (СЭС) и ветровые электростанции (ВЭС) — безусловно зеленые источники энергии с показателями 34, 5 и 4 тонны СО2 соответственно. Отметим, что в этом расчете учтены выбросы углекислого газа при постройке станций, так как в процессе работы ни ГЭС, ни ВЭС, ни СЭС, ни АЭС его уже не выделяют.

Выбросы атомных электростанций (АЭС) оценены всего в 3 тонны на 1 ГВт*ч. Казалось бы, вот вам та самая «зеленая энергия», но в ЕС они долго считались недостаточно соответствующими экологическим требованиям. Германия, Австрия и Италия полагали, что радиоактивные отходы не позволяют отнести АЭС к экологичным источникам энергии. Только подробное изучение этого вопроса Joint Research Centre склонило Еврокомиссию разрешить считать энергию от АЭС зеленой. Аналогичное решение принято и для ТЭЦ на газу. Итак, при принятии решения, достаточно ли та или иная энергия «зеленая», дело вовсе не в СО2 получается — если у нас АЭС то не зеленые, то зеленые?

В новостях успехи возобновимых (то есть как раз зеленых) источников энергии — ВИЭ — иногда преувеличивают. Обратите внимание, что общую долю ВИЭ в энергобалансе Земли обычно считают, складывая энергию от ГЭС, СЭС и ВЭС. Дело в том, что ГЭС строят давно, и при суммарном подсчете и они сразу дают зеленым источникам энергии очень серьезный вклад в общую генерацию энергии (больше 11 процентов). Однако как только хотят показать быстрый рост новых станций на зеленой энергии, говорят про ветровые и солнечные станции, а ГЭС как бы «забывают». Дело в том, что хотя доля энергии от ГЭС и значительна, но она уже очень давно практически не растет — большинство подходящих рек уже использованы, новых станций строят мало. А СЭС и ВЭС суммарно пока дают не очень много энергии — примерно пять процентов от мировой, зато каждый год вводятся новые электростанции и совокупная мощность СЭС и ВЭС в мире растет опережающими темпами.

Давайте попробуем разобраться, каково реальное воздействие источников энергии на окружающую среду и как можно его уменьшить.

Ветровые электростанции

Насколько ВЭС безопасны для земных экосистем? При работе они не выделяют СО2, но все равно, увы, оказывают негативное влияние на окружающую среду. Во-первых, они снижают биоразнообразие в регионе, где установлены. Двухлетнее исследование полей ветростанций в штате Карнатака (Индия) показало, что около генераторов чаще встречаются мертвые птицы и млекопитающие, а некоторые животные избегают регионов с установленными ветряками, и это может нарушать сложившиеся биосистемы.

Для преодоления этой проблемы ветрогенераторы стараются увеличить в размерах. Так каждый из них дает больше энергии, и тогда ВЭС в целом занимает меньше места. Однако даже современные решения требуют значительных площадей. В мае 2023 года Швеция одобрила расширение двух полей ветрогенерации проекта Galatea-Galene — они займут около 160 квадратных километров. Но их суммарная мощность составит около 1,6 ГВт. АЭС подобной мощности займет гораздо меньшую площадь. Например, площадь Калининской АЭС мощностью 4 ГВт — менее 3 квадратных километров.

Вынесение в море таких проектов, как Galatea-Galene, позволяет нивелировать проблему больших занимаемых площадей — в акватории это не так критично. Поэтому многие европейские страны идут по этому пути — Нидерланды строят комплекс полей ветрогенерации Borssele общей мощностью около 1,5 ГВт. Британский проект Hornsea в перспективе может достигнуть мощности 6 ГВт, этого хватило бы, чтобы обеспечить теплом и энергией предприятия и жилые дома такого города, как Санкт-Петербург.

Ветряки переносят в море, чтобы решить еще и главную главную проблему ВЭС (и СЭС) — непредсказуемость генерации энергии. Ветра в море более постоянны, но в любом случае приходится вводить в строй мощности с запасом — не будет ветра в одном регионе, поможет ветер в другом. Кроме увеличивающейся себестоимости энергии, это приводит к новым проблемам. Лопасти ветрогенераторов делают из стекловолокна, которое не поддается полной переработке. После того как они отработают свой срок, приходится лопасти распиливать и закапывать в землю.

Относительно недавно стало понятно, что ветрогенерация может существенно менять климат. Ветрогенераторы тормозят воздушные потоки, и при их масштабной установке это скажется на климате целых континентов. Например, по расчетам ученых Гарвардского университета, масштабная установка ветрогенераторов в США поднимет среднегодовую температуру на 0,2 градуса – ничего не скажешь, хороша борьба с глобальным потеплением!

Наконец, создание ветрогенераторов требует существенных количеств редкоземельных элементов, добыча которых приводит к заметным загрязнениям окружающей среды. Пока большая часть их добычи сосредоточена в Китае, страны Запада могут не обращать внимания на эту проблему, но в итоге загрязнения скажутся на всей планете.

Так что получается, что выделение углекислоты в данном случае не может быть единственным фактором, по которому оценивается вред. Ветрогенерация негативно влияет на окружающую среду и может вызвать локальное потепление, что противоречит предназначению зеленых источников энергии. Оптимистичный взгляд на роль ветроэнергетики можно узнать в лекции Homo Science.

Солнечные электростанции

У электростанций, получающих энергию от солнечного света, есть схожие с ВЭС проблемы. При их изготовлении и утилизации загрязняется окружающая среда. Они требуют больших пространств для размещения. Хорошо, если СЭС можно разместить в пустыне, где редки облака и много свободной земли. Но зато там произойдет самое заметное изменение климата, так как массивы солнечных батарей поглощают свет, не давая ему дойти до Земли. Снижение температуры в пустыне может достигать 2 градусов Цельсия для региона в целом. Последствия такого воздействия на окружающую среду неочевидны и требуют дальнейшего изучения. Например, в районе расположения солнечных электростанций тоже происходит массовая гибель птиц, но как именно это происходит, непонятно.

Кроме того, большой недостаток СЭС (как и ветрогенераторов) — нестабильность выработки энергии. Ночью солнце не дает энергию, а значит, обязательно нужно добавлять в инфраструктуру аккумуляторы или другие способы запасания энергии. В среднестатистической местности даже днем солнечная генерация может существенно  упасть из-за облачности. Австралийские ученые предупреждают, что непостоянство генерации возобновляемых источников энергии может заставить пересмотреть подходы к созданию энергосетей. На 2021 год в Австралии ВИЭ давали около 30 процентов энергии, но дальнейшее увеличение их доли сделало бы критическим потенциальный дисбаланс между доступным и требуемым количеством энергии. Например, ТЭЦ и АЭС стабильно дают энергию при любой погоде. Но что будет, если в час пик в мороз будет облачная безветренная погода — останавливать производства, отключать больницы и запрещать домохозяйствам пользоваться отоплением? 

В Евросоюзе, который активно стимулировал развитие возобновляемых источников энергии, в какие-то моменты случались ситуации падения цены электричества до нуля. Казалось бы, бесплатное электричество — это очень здорово для потребителей. Но совершенно невыгодно производителям энергии: они разорятся и перестанут работать, если будут постоянно отдавать ее бесплатно. На самом деле, конечно, это кратковременные ситуации. Они происходят из-за непостоянства выработки энергии ВИЭ: когда Солнца и ветра много, а производства стоят (выходной день), то государство радо избавиться от лишней энергии. Но в обратной ситуации (безветренный и облачный рабочий день) положение может быть критическим — энергии от зеленых источников не хватит всем. При нехватке энергии нельзя просто взять и остановить заводы, а граждан попросить выключить отопление. А если на улице в этот момент минус 20?

В общем СЭС тоже не может заменить текущие источники энергии. Для ритмичной работы промышленности и комфортной жизни граждан нужно предсказуемое количество энергии. Проблему непостоянство генерации ВИЭ пытаются решить с помощью аккумуляторов, но к их экологичности тоже есть вопросы.

Аккумуляторы и альтернативные способы запасания энергии

Самые распространенные возобновляемые источники энергии — солнечные и ветровые — требуют дублирования мощностей и нуждаются в накопителях энергии, которые отдадут ее в часы пик, ночью и при безветренной погоде. Обычно ее запасают с помощью литий-ионных аккумуляторов. Они подходят как для автомобилей, так и для электростанций. Крупнейшее аккумуляторное хранилище в мире Moss Landing Energy Storage Facility в Калифорнии (США) имеет емкость 3 ГВт*ч и мощность 750 МВт. Впечатляющие цифры для аккумуляторного хранилища, но энергопотребление Калифорнии в часы пик в 20 раз больше — 15-20 ГВт. То есть Moss Landing Energy Storage Facility можно использовать как подстраховку, но не замену местным источникам энергии.

Аккумуляторные станции не только менее мощные, чем традиционные, они еще и значительно повышают стоимость энергетической инфраструктуры. Представьте, что у вас есть СЭС или ВЭС, которая дает энергию по приемлемой цене. Но их нужно снабдить аккумуляторами на случай отсутствия света и ветра. И это сразу повысит стоимость проекта. Например, аккумуляторные модули Tesla Megapack емкости, нужной для Moss Landing Energy Storage Facility, обошлись бы в 1,5 миллиарда долларов США, не считая расходов на интеграцию и поддержку. Получается, что хранение каждого Ватта мощности обойдется в две тысячи долларов США. Когда вы захотите его использовать, он будет в 10-100 раз дороже, чем Ватт энергии от СЭС или обычной ТЭЦ. Так как аккумуляторы не вырабатывают энергию, то хранение энергии в них увеличивает себестоимость электрических станций, которые они «страхуют». Чтобы не увеличивалась цена энергии для производителя, вклад себестомсти хранения энергии в аккумуляторе должен быть небольшим. Значит, мощность аккумуляторов может составлять лишь небольшую долю от мощности, генерируемой СЭС или ВЭС. Иначе стоимость каждого киловатта повысится многократно.

В более северных широтах (для Северного полушария) условия для солнечной энергетики ухудшаются, а значит придется увеличивать себестоимость энергии от ВИЭ, так как потребуются более емкие хранилища, чтобы переждать ночь, непогоду или просто облачные дни.

Главный недостаток литиевых аккумуляторов — загрязнение окружающей среды при добыче главных компонентов: лития, кобальта, никеля. Для вымывания породы требуется огромное количество воды, которая затем очищается, но случаи гибели местной фауны показывают, что нелегко это сделать полностью. Пока объемы добычи лития и переработки старых аккумуляторов относительно невелики, невозможно предсказать, сможет ли человечество добиться очистки или утилизации всех отходов. 

В целом, так как литиевые аккумуляторы находят применение не только как накопители энергии для электростанций, но и в электромобилях, изучение процессов их создания и переработки важно для всех стран. Профессор Артем Абакумов, директор Центра энергетических технологий Сколтеха, отмечает, что Россия имеет все возможности для производства и использования литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). Около 14 процентов мирового производства никеля и 15 процентов кобальта приходятся на Россию, это основные элементы, входящие в состав ЛИА с высокой плотностью энергии. Есть месторождения и самого лития, вдобавок «Росатом» вложил 600 миллионов долларов США в добычу этого металла в Боливии. Не производится только марганец для литиевых аккумуляторов, но обсуждаются проекты для решения этого вопроса.

«В России есть достаточные производственные мощности для переработки литиевого сырья в гидроксид лития для получения катодного материала ЛИА. Крупнотоннажное производство катодных материалов пока не налажено, но в Сколтехе есть отечественные масштабируемые технологии с объемом до 10-15 тонн в год. В самой ближней перспективе должна заработать гигафабрика „Росатома” под Калининградом, с годовым объемом производства ячеек для аккумуляторов в 4 ГВт*ч», — описал Артем Абакумов работу в России в области создания литий-ионных аккумуляторов.

Хотя аккумуляторы в процессе работы не загрязняют среду, но могут способствовать этому косвенно. Например, в Пекине (Китай) весь мелкий транспорт переведен на электричество, продажи электромобилей в Поднебесной — самые большие в мире. Однако, примерно половину энергии Китай добывает из угля: образно говоря, электромобили половину поездки жгут уголь, выделяя массу СО2. Получается, во всех странах, где используется энергия от ТЭЦ (а исключений — единицы), аккумуляторы подстанций и электромобилей заряжают «грязной» энергией.

Лучшая альтернатива для запасания энергии для часов пик и тому подобного — гидростанции. Их можно быстро включить и выключить, но, как мы сказали, удобных мест для них не так уж и много (и тут России повезло), поэтому исследователи ищут альтернативные пути. В качестве аккумулятора можно просто поднимать грузы на высоту, а потом опускать их, высвобождая энергию. Такие гравитационные станции пока проходят стадию тестирования во многих странах. А в Китае даже построена крупная гравитационная станция с КПД 80 процентов, если верить производителю. Мощности 25 МВт и емкости 100 МВт*ч достаточно, чтобы понять перспективы нового направления. Остается вопрос, какой будет цена энергии, хранимой в такой станции? Также непонятно, насколько она безопасна для окружающей среды. Для запасания энергии используются 30-тонные цементные блоки. А цемент — один из главных виновников выделения СО2: слишком уж много энергии требуется для его выработки. На 2021 год прогнозировалось, что при выработке цемента будет выделено 1,7 миллиарда тонн углекислого газа, это четвертое место (после угля, нефти и газа), или пять процентов всех источников СО2.

«Солнечная, ветровая и водородная энергетика укладываются в концепцию четвертого энергоперехода [переход на возобновляемые и низкоуглеродные источники энергии]. Над ними работают и новые компании и те, что давно присутствуют на рынке. Например, „Росатом” разрабатывает поликремниевые компоненты для солнечных электростанций», — объясняет к. ф.-м. н. Константин Ивановских, заместитель директора по науке и инновациям АО «Гиредмет» госкорпорации «Росатом». Он добавляет, что АЭС могут запасать энергию, проводя электролиз воды с получением водорода. Тестовая станция получения водорода за счет электролиза воды пущена на Кольской АЭС. Пока российские электролизеры имеют относительно малую мощность — пять кубометров водорода в час, задача разработать на два порядка более мощные аппараты.

Научиться запасать энергию без ущерба для природы нам только предстоит. Но ученые изучают этот вопрос, больше об аккумуляторах и альтернативах им вы можете узнать из лекции Home Science.

Биотопливо и другие зеленые источники энергии

Биотопливо — еще один источник энергии в XXI веке. Оно чаще всего используется в качестве машинного топлива (биоэтанол и растительное масло) или обогрева помещений (пеллеты из дерева). Но как увеличивать угодья кукурузы, сахарного тростника и масличных культур для биотоплива? А вот как: они появляются за счет вырубки лесов Амазонки, а также перепрофилирования обычных сельскохозяйственных полей. В результате сокращаются объемы производимой еды и повышается цена на столь ходовые продукты, как сахар, масло и крахмал. Кроме того, при выращивании растений на биотопливо фермеру уже не приходится заботиться об их съедобности, и в землю вносятся избыточные количества пестицидов и других удобрений. Такую почву потом нельзя использовать для продовольственных посадок долгие годы.

Пеллеты при сгорании выделяют сажу, которая может быть причиной гибели людей (об этом подробнее ниже). Кроме того, у производителей есть теоретическая возможность продавать под видом биотоплива пеллеты, созданные из не предназначавшихся для спила деревьев.

Есть и другие, пока редко использующиеся возобновляемые источники энергии, но все сводится к тому, что воздействие на окружающую среду просто необходимо считать за весь цикл работы электростанции. И вот вам сразу живой пример: Исландия полностью перешла на ВИЭ. Можно порадоваться за страну. Конечно, сыграли роль и относительно небольшое население, и ландшафт — две трети электричества страна получает от ГЭС, еще треть приходится на гидротермальные источники. Но даже в этом случае ученые предупреждают, что при бурении вместе с горячей водой в атмосферу выбрасываются окислы серы и азота, а они — вредные вещества и парниковые газы. И еще стоит учесть, кто оплачивает это электричество. Половину энергии в Исландии используют предприятия, которые страна привлекает выгодными налоговыми условиями. В результате в стране много компаний, заводы которых выбрасывают вредные вещества в окружающую среду.

Биотопливо, геотермальные источники и другие развивающиеся направления зеленых источников энергии могут опосредованно вредить окружающей среде или даже ухудшать условия жизни людей. Поэтому стоит с осторожностью подходить к вопросам их использования.

В какой стороне выход?

Похоже на замкнутый круг: каждый новый вид генерации энергии, даже считающейся «чистой», порождает свои проблемы для окружающей среды. На самом деле, все не так мрачно: выход из цепи экологических проблем энергетики есть, и, более того, движение в его сторону уже началось.

Отметим, что с тем самым главным фактором, выбросом углекислоты в атмосферу, можно бороться. Например, улавливать и связывать выделяемый СО2. Однако пока это слишком дорогое и потому не идеальное решение. Зная недостатки возобновляемых источников энергии, ученые работают над сокращением выбросов в процессе создания и утилизации генераторов.

Еще одно решение лежит на поверхности. Помните, какие электростанции дают наименьшие выбросы СО2 на единицу вырабатываемой энергии с учетом их постройки? Атомные! Это происходит из-за того, что АЭС требуют в 10-15 раз меньше строительных материалов на вырабатываемый мегаватт, чем СЭС, ВЭС и ГЭС. Одновременно АЭС имеют наименьшую площадь в расчете на единицу вырабатываемой энергии — в среднем 0,3 квадратного метра на мегаватт. Это в несколько раз меньше даже газовых станций, а также полей солнечной и ветровой генерации, и в 100 раз меньше, чем у ГЭС. Кроме минимального «углеродного следа», атомные электростанции обладают стабильностью генерации — они никак не зависят от погоды.

Если АЭС решает все проблемы охраны окружающей среды, почему вырабатываемую ими энергию не везде считают зеленой, а некоторые страны (например, Германия) закрывают их? Во-первых, могут пугать радиоактивные отходы от деятельности электростанций. Но вокруг современных АЭС нет избыточного радиационного излучения. Накоплен богатый опыт, как правильно захоранивать радиоактивные отходы. Причем атомная отрасль, пожалуй, единственная, где процесс контролируется международной организацией (МАГАТЭ в данном случае), а не силами конкретной компании. Современные подходы позволили в России разработать методы хранения радиоактивных отходов сроком до миллиона лет. Более того, российские ученые создали АЭС на быстрых нейтронах, которые в качестве топлива используют отработанное топливо классических АЭС на тепловых нейтронах. Это позволяет замкнуть топливный цикл, значительно уменьшить потребность в уране и соответственно количество радиоактивных отходов. Отметим, что законы сохранения не нарушаются: в ядерном топливном цикле удается более полно использовать энергию радиоактивного распада изотопов урана и плутония.

Второй фактор, который может тормозить развитие АЭС, — беспокойство за жизни людей. И тут примеры катастроф на АЭС под Чернобылем и Фукусимой кажутся показательными. Но с Чернобыля прошло почти 40 лет, с Фукусимы — более 10. Ошибки учтены, АЭС новых поколений имеют гораздо более высокую безопасность. Если говорить об оставшихся зонах отчуждения, то и поблизости от шахт, крупных химических и металлургических предприятий не строятся населенные пункты из-за неизбежных вредных выбросов.

Жизни людей — самый важный вопрос. Жертвами аварии в Чернобыле были от четырех сотен до четырех тысяч человек в зависимости от методики подсчета. Эти данные включают тех, кто умер от онкологических заболеваний, развившихся в результате аварии. В Фукусиме не было погибших непосредственно в результате аварии, но многие пострадали из-за облучения, паники и при переселении 160 тысяч человек, всего количество жертв можно оценить примерно в 2300 человек.

Несколько тысяч погибших в результате аварий на АЭС — это печально. Но чем заменить АЭС? Возобновляемая энергетика только развивается, поэтому в крупных странах от 20 до 50 процентов энергии получают из угля. Но при сжигании такого топлива в воздух выбрасываются частицы сажи. Они обладают радиоактивностью за счет точечных включений соответствующих изотопов в пластах ископаемого угля. В результате вокруг ТЭЦ, особенно без современных очистных сооружений, уровень радиации выше, чем фоновый. Частицы сажи попадают в легкие людей, вызывая болезни. Если подсчитать, сколько людей умирают в результате этих болезней, получится около 25 человек на 1 ТВт*ч, вырабатываемый угольными ТЭЦ. Для АЭС с учетом жертв Чернобыля и Фукусимы тот же показатель окажется… в тысячу раз меньше!

Даже с учетом неудачных инженерных решений в прошлом веке АЭС приводит к гибели 0,03 человека на 1 ТВт*ч вырабатываемой энергии. Это печально, но энергия все равно нужна. Напомню, что несчастные случаи при установке и ремонте крайне зеленых СЭС и ВЭС приводят к близким значениям — 0,02 и 0,04 случая гибели на каждый выработанный ТВт*ч соответственно. Значения для станций на биомассе и газе на два порядка выше, так как они тоже при горении выделяют частички сажи, приводящие к болезням с летальным исходом. И это еще без учета долговременных последствий для экологии, о которых мы писали выше.

Получается, что АЭС по объективным показателям превосходит другие ВИЭ: они меньше влияют на экологию, приводят к меньшим выбросам СО2, требуют меньше площадей для электростанций. А самое главное — позволяют спасти жизни людей, которые страдают от последствий применения других источников энергии.

Проверить знания об атомной энергии вы можете в тесте Homo Science.

Если вы хотите проверить, всё ли вы узнали о зеленой энергии, то можете пройти тест. Пожалуй, обзор доступных источников энергии показывает, что каждый из них еще далек от совершенства и нуждается в дальнейшем развитии. Но явно человечеству стоит рассматривать все возможности, а не давать зеленый свет только типам электростанций, которые директивно выбрали зелеными.