Уже более полувека активно обсуждается возможность более широкого использования в энергетике так называемых «возобновляемых» источников энергии. Под возобновляемыми источниками обычно понимают большую группу природных и биосферных источников энергии, не связанных с необратимым использованием минерального энергетического сырья. Наиболее важные из них – это гидроэнергетика, солнечное излучение, энергия ветра, морских приливов, геотермальная энергия, биотопливо (сельскохозяйственные продукты, бытовые отходы, дрова) и некоторые менее значимые источники. Хотя возобновляемые источники энергии часто отождествляются с «новой эпохой», на самом деле большинство из них – это старые и достаточно хорошо отработанные методы генерации энергии.

Если исключить из этого списка гидроэнергетику, которую, безусловно, нужно рассматривать отдельно как один из старейших и наиболее развитых промышленных источников энергии, то в последние годы наблюдался бурный прогресс в использовании возобновляемых источников. Темпы роста производства энергии возобновляемыми источниками значительно превышали темпы роста производства энергии на базе традиционных источников, что неудивительно, учитывая небольшой объем производимой ими до сих пор энергии и небольшие мощности отдельных установок. Это позволяет на начальном этапе внедрения новой техники относительно легко и быстро наращивать объем производства. Сейчас возобновляемые источники уже прочно завоевали определенную нишу в секторе источников энергии небольшой мощности, локальных источников и как основа небольших распределенных энергосетей.

Тем не менее, даже по самым оптимистичным оценкам их вклад (без гидроэнергетики) в глобальное производство первичной энергии не превышает 3 %. И появляющиеся в последние годы в средствах массовой информации разнообразные материалы о том, что альтернативные и возобновляемые источники энергии «в ближайшем будущем заменят истощающиеся ископаемые источники» и «позволят решить экологические проблемы энергетики», к сожалению, основаны на элементарной безграмотности и непонимании глобальных геосферных процессов. Велика среди этих публикаций и доля намеренной дезинформации, связанной с лоббированием интересов определенных промышленных, сельскохозяйственных и научных групп, а также различных экологических движений. Учитывая определяющую роль энергетики в мировой экономике, огромный объем затрат, необходимых для создания новых энергетических технологий, и колоссальную стоимость энергетической инфраструктуры, очень важно ясно представлять реальные возможности различных источников энергии, их технологические ниши и практические перспективы.

Гидроэнергетика, на долю которой сейчас приходится почти 7 % мирового производства энергии, относится к старейшим источникам энергии, стоит только вспомнить о водяных мельницах и водяных приводах на первых промышленных мануфактурах. Современная гидроэнергетика обеспечивает производство 73,5 % возобновляемой и около 20 % всей электроэнергии в мире, что эквивалентно использованию почти 900 млн т нефти. Абсолютным лидером по выработке гидроэнергии на душу населения является Исландия. Высок также вклад гидроэнергетики в Норвегии, где доля ГЭС в выработке электроэнергии достигает 98 %, Канаде и Швеции. А в Парагвае на гидроэлектростанциях вырабатывается 100 % производимой в стране электроэнергии.

Наиболее активное гидростроительство с 2000-х годов ведет Китай, для которого гидроэнергия является одним из важнейших источников электроэнергии. В этой стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира, а также крупнейшая ГЭС мира «Три ущелья» на реке Янцзы и строящийся, крупнейший по мощности каскад ГЭС. Еще более крупная ГЭС «Гранд Инга» мощностью 39 ГВт планируется к сооружению международным консорциумом на реке Конго в Демократической Республике Конго (бывший Заир). Крупнейшими на 2008 год производителями гидроэнергии являлись следующие страны (табл. VI, рис. 38):

Таблица VI

Шестерка ведущих стран мира в области гидроэнергетики и их доля в мировом производстве гидроэнергии представлены на рис. 38.

Рис. 38. Вклад 6 ведущих стран в суммарную мощность мировой гидроэнергетики по состоянию на 2013 г.

В России гидроэнергетика, так же, как и атомная энергетика, обеспечивает выработку примерно 16 % всей электроэнергии в стране. Сейчас мировая гидроэнергетика развивается быстрыми темпами, увеличивая свои мощности примерно на 2 % в год. Но, к сожалению, возможности гидроэнергетики ограничены. Зная среднюю высоту земной поверхности над уровнем моря и среднегодовое количество выпадающих осадков, легко оценить полное количество энергии, которое можно получить за счет этого источника.

По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), общий технически реализуемый потенциал мировой гидроэнергетики составляет 14 000 ТВт-ч в год. Из них около 8 000 ТВт-ч в год рассматриваются в настоящее время как экономически обоснованные. На сегодня гидроэнергетические мощности объемом около 808 ГВт либо эксплуатируются, либо находятся на стадии строительства с предполагаемым ежегодным совокупным объемом генерируемой энергии около 7 080 ТВт-ч. То есть с учетом географических факторов и неизбежных потерь в процессе преобразования энергии на Земле уже задействована основная часть реально доступного потенциала гидроэнергетики. Большая часть оставшегося потенциала гидроэнергетики расположена в Африке, Азии и Латинской Америке. Хотя в основном за счет этих континентов развитие гидроэнергетики будет продолжаться, ее доля в мировом энергобалансе уже не может существенно увеличиться.

На сегодняшнем энергетическом рынке крупные гидроэлектростанции во многих случаях являются самыми низкозатратными источниками электроэнергии. Причина этого в том, что большинство гидроэлектростанций было построено много лет назад, и их стоимость полностью амортизирована. Для новых крупных станций затраты на генерацию лежат в пределах 0,03—0,04 долл./кВтч.

Примерно 5 % мирового потенциала гидроэнергетики реализуется на ГЭС малой мощности. Технический потенциал малой гидроэнергетики в мире оценивается на уровне 150–200 ГВт. Затраты на генерацию на малых гидростанциях (<10 МВт) оцениваются на уровне 0,02—0,10 долл./кВтч, причем минимальные затраты приходятся на регионы с высоким качеством гидроресурсов. После списания высоких первоначальных затрат электростанции могут генерировать энергию с еще меньшими затратами, так как обычно они не требуют больших затрат на замещение оборудования в течение 50 и более лет.

Озабоченность состоянием окружающей среды и социальные проблемы – основные препятствия на пути использования оставшегося мирового потенциала гидроэнергетики. Увеличение потребности в воде для различных нужд может ограничить развитие гидроэнергетики и сократить объем воды, доступной для существующих электростанций. При постройке плотин неизбежно образуются водохранилища, и вода, заливая огромные площади, необратимо изменяет окружающую среду. Затапливаются поля, леса, выселяются с насиженных мест люди. Например, объем водохранилища крупнейшей в России Красноярской ГЭС мощностью 6 ГВт составляет 73,3 км². Подъем уровня воды перед плотиной может вызвать заболоченность местности, засоленность почвы, изменения прибрежной растительности и микроклимата. Плотины перегораживают путь рыбе, идущей на нерест.

Приливные электростанции можно рассматривать как специфическую разновидность гидроэлектростанций. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины, которые вращают генераторы. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. Возможна и работа турбин в реверсном режиме, т. е. при потоке воды как при отливе, так и приливе.

Эксплуатация приливных электростанций считается экономически целесообразной в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м, которых, к сожалению, не так уж и много. Проектная мощность приливной электростанции зависит от характера прилива в районе строительства станции и от объема и площади приливного бассейна. Главный же недостаток приливных электростанций в том, что они строятся только на берегу морей и океанов, и к тому же развивают не очень большую мощность, да и приливы бывают всего лишь два раза в сутки. Так же, как и с ГЭС, с ними связаны серьезные экологические проблемы. Они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым – условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения.

Единственная в России экспериментальная Кислогубская приливная электростанция, сооруженная в 1968 году, после десятилетнего простоя вновь введена в эксплуатацию. Мощность приливной электростанции в Кислой губе, где высота прилива достигает 5 м, составляет всего 400 кВт. Новые ПЭС для промышленного использования планируется построить на Белом и Охотском морях. На Мезенской ПЭС в Белом море планируется первый в России полупромышленный энергоблок мощностью 10 МВт, а полностью введенная в эксплуатацию ПЭС может достигнуть мощности до 20 ГВт. Рассматривается возможность строительства ПЭС в Пенжинской губе на Охотском море, где высота приливов доходит до 13 м, что является наивысшим для всего Тихого океана показателем. Это позволяет иметь электростанцию мощностью до 90 ГВт, которая в случае реализации стала бы крупнейшей в России и мире. Однако таких уникальных мест на Земле немного.

При обсуждении глобальных перспектив возобновляемых источников энергии в первую очередь рассматривают солнечную и ветроэнергетику. Заметные успехи, достигнутые за последние годы в развитии этих источников энергии, вызывают большой оптимизм у их поклонников. Действительно, сегодня солнечная и ветроэнергетика – быстроразвивающиеся (рис. 39) зрелые отрасли мировой индустрии с ежегодным объемом капитальных затрат свыше 15 млрд долл. Технологическое развитие солнечной энергетики уже позволяет получать в год до 200–600 кВтч энергии с 1 м² установленных солнечных коллекторов. В 2014 г. только в Европе (в основном южной) солнечными коллекторами выработано почти 100 млн МВтч, а общемировое производство солнечной энергии достигло 186 млн МВтч.

Рис. 39. Рост установленной мощности солнечных и ветровых энергоустановок в мировой энергетике в 2004–2013 гг. (ГВт)

Сейчас можно выделить два основных направления использования солнечного излучения в энергетике:

фотовольтаика (фотоэлектрические преобразователи, фотовольтаические ячейки), т. е. преобразование солнечного излучения непосредственно в электроэнергию на основе фотоэффекта;

гелиотермальная энергетика, использующая солнечное излучение для нагрева рабочего тела, например воды, используемой затем в качестве источника тепла или для генерации пара для привода паровых турбин, как в обычных тепловых электростанциях.

За последние годы солнечная энергетика достигла впечатляющих успехов. Если в конце 60-х годов стоимость фотоэлектрической панели составляла около 100 000 долларов за киловатт пиковой (максимально возможной) мощности, то сегодня ее стоимость ниже 2 000 долл./кВт. Однако при подсоединении панели к энергосети примерно такую же сумму необходимо затратить на дополнительное оборудование – арматуру, конвертеры и соединительные схемы. Стоимость получаемой электроэнергии зависит от интенсивности солнечного света. Например, в Средиземноморье стоимость фотоэлектрической электроэнергии может составлять от 0,35 до 0,45 долл./кВт. В наиболее благоприятных для этого районах при использовании современных технологий и концентрировании солнечных лучей стоимость электроэнергии составляет 0,10—0,15 долл./кВт. Сейчас стоит задача снизить в долгосрочной перспективе затраты в системах с концентрированием солнечного излучения до уровня менее 0,05 долл./кВт.

В 1980-х был создан первый тонкопленочный фотоэлемент на основе недорогого аморфного кремния, что стимулировало резкий рост солнечной энергетики. Кремниевые тонкопленочные элементы стали лидерами, захватив 80 % объема мирового рынка солнечных элементов. Благодаря удешевлению солнечных панелей за 50 лет стоимость выработки электроэнергии на основе фотоэлектрических элементов снизилась более чем в 30 раз. С каждым годом открываются все новые пути уменьшения финансовых расходов в данной области. С 2006 по 2008 год новые энергоэффективные технологии позволили сократить расход кремния на 1 Вт установленной мощности с 10 до 8,7 г/Вт.

Переход к использованию гетеросоединений типа арсенида галлия и алюминия и применение концентраторов солнечной радиации с кратностью концентрации 50—100 позволяет повысить КПД с современных 20 до 35 %. В 1989 г. был создан двухслойный элемент, состоящий из двух полупроводников арсенида и антимонида галлия. В этом элементе в первом прозрачном слое (арсенид галлия) поглощается и преобразуется в электричество видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходящая через этот слой, поглощается и преобразуется в электричество во втором слое (антимониде галлия). В итоге КПД составляет 37 %, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций.

Технологические новации последних лет, значительно увеличив перспективы солнечной энергетики, позволили перейти к сооружению достаточно крупных энергоустановок, соответствующих промышленным электростанциям средней мощности. В настоящее время в основном строят солнечные термоэлектростанции (гелиотермоэлектростанции) одного из двух типов: солнечные электростанции башенного типа (рис. 40) и солнечные электростанции распределенного (модульного) типа (рис. 41).

Рис. 40 (a). Солнечная электростанция башенного типа

Рис. 40 (b). Солнечная электростанция башенного типа

В башенных солнечных гелиотермоэлектростанциях используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации энергии в несколько тысяч раз. Солнечные лучи, отражаясь от множества плоских зеркал, концентрируются на центральном приемнике, размещенном на центральной башне. При этом требуется сложная система слежения отдельных зеркал (гелиостатов) за Солнцем за счет их вращения вокруг двух осей, управляемая ЭВМ. Главным недостатком башенных солнечных электростанций является их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения солнечной электростанции мощностью 100 МВт требуется площадь в 200 га, в то время как для АЭС мощностью 1000 МВт – всего 50 га.

В солнечных электростанциях распределенного (модульного) типа (рис. 41) используется большое число отдельных модулей. Каждый модуль состоит из опоры, на которой крепится параболический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости. Нагретая рабочая жидкость подается в тепловой двигатель, соединенный с электрогенератором. При небольшой мощности солнечные электростанции модульного типа более экономичны, чем башенные. В солнечных электростанциях модульного типа обычно используются линейные концентраторы солнечной энергии с максимальной степенью концентрации около 100.

Рис. 41. Солнечная электростанция распределенного (модульного) типа

Значительное преимущество гелиотермоэлектростанций – их способность к интеграции в традиционные тепловые электростанции. В качестве «солнечной топки» их можно интегрировать в традиционные тепловые циклы параллельно с камерами сгорания для ископаемых видов топлива. Однако при стоимости энергии на современных солнечных электростанциях даже в наиболее благоприятных условиях 0,10—0,15 долл./кВтч солнечная энергетика остается слишком дорогостоящей, чтобы без субсидий быть конкурентоспособной на внутренних рынках. Поэтому цель ведущихся в настоящее время научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ состоит в снижении стоимости энергии до 0,05—0,08 долл./кВтч, а в долгосрочной перспективе и до уровня ниже 0,05 долл./кВтч.

Энергия солнечного излучения может быть преобразована в постоянный электрический ток и посредством солнечных батарей – устройств, состоящих из тонких пленок кремния или других полупроводниковых материалов (рис. 42). Преимущество фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позволяет создавать установки практически любой мощности, что очень удобно для потребителя. Недостатками ФЭП являются высокая стоимость и низкий КПД. Солнечные батареи являются основным источником энергопитания в космосе, а на Земле используются в основном для энергоснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолетов.

Рис. 42. Солнечные батареи (ФЭП)

В США, занимающих ведущие позиции в области солнечной энергетики, реализуется несколько крупных проектов как на основе фотовольтаического преобразования излучения, так и на основе его теплового действия. Крупнейший проект, реализуемый на границе Калифорнии и Невады в пустыне Мохаве, электростанция Ivanpah, после долгих лет строительства, тестирования и развития в 2014 г. была официально введена в строй. Она включает систему из 300 тысяч управляемых плоских зеркал (гелиостатов) размером с дверь гаража каждое, занимающих площадь в 16 км², которые концентрируют солнечное излучение на три одинаковых башни высотой по 140 метров (рис. 43). В солнечных коллекторах, расположенных наверху башен, тепло солнечного излучения превращает воду в водяной пар, направляемый на лопатки турбин, производящих электроэнергию, как в обычных ТЭЦ. По оценкам, этой энергии должно быть достаточно для обеспечения нужд 140 тысяч домохозяйств Калифорнии.

Рис. 43. Солнечная электростанция в пустыне Мохаве (США)

Каждая башня имеет свой центр управления, а также имеется общий центр управления, откуда контролируется работа всей системы. Каждое из зеркал может изменять угол наклона и направление наклона по команде из центра. Раз в две недели зеркала омываются. Вся система состоит из 22 миллионов отдельных деталей. Максимальная мощность станции составляет 392 МВт, а ее стоимость 2,2 млрд долларов, что в несколько раз превышает стоимость тепловых электростанций аналогичной мощности. Есть и другие серьезные проблемы: более 300 тысяч зеркал очень сильно нагревают воздух (температура коллекторов достигает 540 градусов Цельсия), что приводит к смерти птиц, которые пролетают мимо. Поэтому серьезно рассматривается вопрос влияния подобных электростанций на окружающую среду, и не исключено, что Ivanpah может стать последней электростанцией данного типа. Но главное – это огромные удельные капитальные вложения и сложность используемого оборудования, многократно превышающие данные показатели для других источников, необходимость огромных площадей для его размещения и непостоянство и непредсказуемость количества производимой энергии.

Ветровая электроэнергетика, появившаяся еще в конце XIX века, в течение последних 6 лет была наиболее быстро развивающимся видом возобновляемой энергетики, годовые темпы роста в которой достигали почти 30 % (рис. 44). К началу 2015 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 369 ГВ, а количество произведенной ими электрической энергии достигло 3 % всей произведенной человечеством электрической энергии. Более 30 % установленных мощностей приходится на Китай, около 18 % – на США и более 10 % – на Германию. За счет этого источника, в основном установок, размещенных в море вблизи побережья (рис. 48), Дания покрывает около 40 % своих потребностей в электроэнергии. Германия покрывает за счет ветроэнергетики 8,6 % потребности в электроэнергии, а Китай – 1,3 %. Существуют планы дальнейшего развития ветроэнергетики, согласно которым к 2020 г. мощность ветроэнергоустановок только в странах Евросоюза достигнет 180 ГВт.

Рис. 44. Ветроустановки на суше и у побережья

Однако столь высокие темпы, характерные для начального этапа освоения этого источника энергии, вряд ли удастся удержать. Наиболее продуктивные с географической и потребительской точки зрения места расположения ветроэнергоустановок уже освоены, что ведет к закономерному падению темпов развития ветровой энергетики (рис. 45).

Рис. 45. Ежегодные темпы прироста мощностей в мировой ветроэнергетике (Источник: BP Statistical Review of World Energy, 2015)

В ближайшие годы ожидается заметное технологическое продвижение, в частности, разработка турбин мощностью выше 5 МВт, хотя 80 % мировой ветроэнергетики приходится на турбины класса 1,5–2,5 МВт. Мощность ветрогенератора зависит от площади, ометаемой лопастями генератора, и его высоты над поверхностью. Например, турбины мощностью 3 МВт имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров. Ветрогенератор начинает вырабатывать электроэнергию при скорости ветра 3 м/с и отключается при скорости ветра более 25 м/с. Вырабатываемая энергия пропорциональна скорости ветра в третьей степени, а максимальная мощность достигается при скорости ветра ~15 м/с.

Наиболее перспективными местами для размещения ветрогенераторов считаются прибрежные зоны морских акваторий. Но при этом стоимость инвестиций по сравнению с сушей повышается в 1,5–2 раза. Офшорные ветровые электростанции (рис. 46) обычно строятся в море на расстоянии 10–12 км от берега. Их башни устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров.

Хотя энергия ветра, в отличие от ископаемого топлива, практически неисчерпаема, доступна и более чистая с экологической точки зрения, сооружение ветровых электростанций сопряжено с определенными трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков создает проблемы надежности производства электроэнергии. Но главное, ветроэнергетика остается одним из наиболее дорогих источников электричества. Средняя стоимость современной крупной ветровой наземной станции составляет около 1 000 долларов/кВт установленной, т. е. максимально возможной (пиковой) мощности. Стоимость возведения морской станции может быть на 35—100 % выше. В эту стоимость не включены потенциальные затраты на интеграцию с энергосистемами и на создание мощностей по аккумуляции энергии. Себестоимость производимой электроэнергии на лучших береговых электростанциях сейчас снизились до 0,03—0,04 долл./кВтч. Снижение средней скорости ветра резко увеличивает себестоимость электроэнергии. Различия электростанций, разброс показателей капитальных затрат и средних показателей скорости ветра приводят к существенным колебаниям себестоимости ветровой энергии в различных странах и регионах: от 0,03 до 0,20 долл./кВтч. Пока на большинстве рынков ветровая энергия неконкурентоспособна, поэтому ситуация смягчается льготными тарифами для этого вида энергетики.

Геотермальная энергетика использует для производства электрической энергии энергию, содержащуюся в недрах земли. В вулканических районах вода, циркулирующая в подземных горизонтах, на относительно небольших глубинах перегревается выше температуры кипения и по трещинам поднимается к поверхности, иногда выходя в виде гейзеров. Доступ к подземным теплым водам возможен при помощи бурения скважин.

Более распространены сухие высокотемпературные породы, энергия из которых может быть получена при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее 100 °C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий. Геотермальные источники широко используются в энергетике и хозяйстве во многих странах: США, Исландии, Новой Зеландии, Италии, Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении и других.

Геотермальная энергетика подразделяется на два направления: петротермальная энергетика и гидротермальная энергетика.

Рис. 46. Схема получения геотермальной энергии

Петротермальная энергетика связана с глубинными температурами Земли, средняя скорость повышения которых с глубиной – около 2,5 °C на каждые 100 метров. На глубине 5 км температура составляет примерно 125 °C, а на 10 км – около 250 °C. Добыча тепла производится посредством бурения двух скважин, в одну из которых закачивается вода, которая, нагреваясь, попадает в смежную скважину и выходит в виде пара (рис. 46). Главная проблема данного вида энергетики на сегодня – рентабельность.

Гидротермальная энергетика основана на использовании природных источников перегретых подземных вод, которыми обладают многие вулканические зоны планеты, в том числе Камчатка, Курильские, Японские и Филиппинские острова, обширные территории Кордильер и Анд. Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для этих целей. Высокотемпературное тепло вулканических районов и сухих горных пород предпочтительно использовать для выработки электроэнергии, а непосредственное устройство станции зависит от используемого источника геотермальной энергии.

Большие объемы подземных термальных вод имеются в Дагестане, Северной Осетии, Чечне, Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, на Камчатке и в ряде других районов России, а также в Казахстане. На 2006 г. в России было разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тыс. м³/сутки. На 20 месторождениях ведется промышленная эксплуатация, среди них: Паратунское (Камчатка), Казьминское и Черкесское (Карачаево-Черкесия и Ставропольский край), Кизлярское и Махачкалинское (Дагестан), Мостовское и Вознесенское (Краснодарский край). Сейчас геотермальная энергетика обеспечивает 30 % выработки электроэнергии на Камчатке (Мутновская, Паужетская и Верхне-Мутновская ГеоЭС) (рис. 47).

Рис. 47. Мутновская ГеоЭС на Камчатке

Главная из проблем, возникающих при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости возобновляемого цикла закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиак, фенолы). Это исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности.

Потенциальная суммарная мощность геотермальных электростанций мира уступает большинству типов станций на иных возобновляемых источниках энергии. Однако это направление получило развитие в силу высокой энергетической плотности в отдельных географических районах, в которых отсутствуют или относительно дороги горючие полезные ископаемые. Так как геотермальная энергия, в отличие от нефти и угля, не нуждается в переработке после добычи или транспортировке на большие расстояния, она обходится намного дешевле и более чистая с экологической точки зрения. В настоящее время геотермальное электричество производится в 24 странах.

На начало 1990-х годов установленная мощность геотермальных электростанций в мире составляла около 5 ГВт, на начало 2000-х – около 6 ГВт, а в 2010 году суммарная мощность геотермальных электростанций в мире выросла до 10,7 ГВт (табл. VII).

Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, которые в 2005 году произвели около 16 млрд кВтч геотермальной электроэнергии. В 2010 году суммарные мощности 77 геотермальных электростанций в США составляли 3086 МВт. Наиболее мощная и известная группа геотермальных электростанций США находится на границе округов Сонома и Лейк в 116 км к северу от Сан-Франциско. Она носит название «Гейзерс» и состоит из 22 геотермальных электростанций с общей установленной мощностью 1517 МВт, на которые сейчас приходится четвертая часть всей производимой в Калифорнии альтернативной (не-гидро) электроэнергии. Как один из альтернативных источников энергии геотермальная электроэнергетика имеет в США особую правительственную поддержку, а американские компании, работающие в этой области, в настоящее время стремятся делать бизнес не только на территории США, но и за их пределами.

Геотермальная энергетика продолжает достаточно устойчиво развиваться, хотя и не такими быстрыми темпами, как солнечная и ветроэнергетика (рис. 48). Лидерами в ее развитии сейчас являются страны Азиатско-Тихоокеанского региона, на долю которых уже приходится 47,6 % производимой в мире геотермальной энергии. На Северную Америку приходится 42,3 %, а на Европу – 10 %. Однако несмотря на быстрые и устойчивые темпы развития геотермальной энергетики, существующей уже более ста лет, ее реальный потенциал слишком мал, чтобы внести существенный вклад в мировую энергетику.

Таблица VII. Установленная мощность геотермальных электростанций по странам мира

Рис. 48. Рост установленной мощности мировой геотермальной энергетики, МВт

Биоэнергетика, наряду с солнечной энергетикой, является основной надеждой и аргументом тех, кто рассчитывает на возможность удовлетворения энергетических потребностей человечества за счет возобновляемых источников энергии. Сейчас на долю сжигания биомассы, в основном дров и сельскохозяйственных отходов, приходится значительная часть энергопотребления в бытовом секторе многих слаборазвитых стран. Но в условиях уже обсуждавшегося дефицита продуктов питания и деградации сельскохозяйственных земель рассчитывать на удовлетворение быстро растущих энергетических потребностей человечества за счет «зеленой энергетики», т. е., по сути, сельского хозяйства, нереально. Конечно, это не исключает более широкого использования отходов биомассы и бытовых отходов для выработки энергии. Например, на территории современного городского района с населением в 100 тыс. человек ежегодно образуется около 40 тыс. т твердых горючих бытовых отходов, тепловая утилизация которых позволяет обеспечить половину жителей района горячей водой, сэкономив 10–15 % расхода природного топлива.

Поскольку технологии получения энергии из биосырья достаточно разнообразны, рассмотрим этот вопрос более подробно. Если оставить в стороне чисто бытовое использование древесного топлива (дрова, древесные пеллеты и т. п.), то все растительное сырье, реально или потенциально пригодное для использования в промышленной энергетике, принято делить на несколько поколений.

Первыми начали использовать традиционные сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Растительные жиры хорошо перерабатываются в топливо для дизельных двигателей, получившее название биодизель. Растительные крахмалы и сахара перерабатываются в этанол (этиловый спирт), который может использоваться как топливо для карбюраторных двигателей либо самостоятельно, либо как добавка к бензину, повышающая его октановое число. Однако помимо проблем, связанных с ведением интенсивного сельскохозяйственного производства: истощением почв, высокими затратами на их обработку, полив, удобрения и пестициды, изъятие даже части продовольственных культур с рынка пищевых продуктов непосредственно влияет на цену продовольствия для населения. Это сырье относят к первому поколению биотоплив.

Непищевые остатки культивируемых растений, траву и отходы древесины относят ко второму поколению биосырья. Его получение в принципе связано с гораздо меньшим объемом затрат, чем культур первого поколения. Но при этом резко возрастают расходы на его сбор, подготовку и переработку. Такое сырье содержит в основном целлюлозу и лигнин. Его можно непосредственно сжигать (как это традиционно делают с дровами), газифицировать (получая горючие газы), осуществлять пиролиз с получением жидких и газообразных продуктов. Основные недостатки использования второго поколения биосырья – занимаемые для его получения земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы площади.

В качестве третьего поколения биосырья рассматривают водоросли. Их производство не требует земельных ресурсов, допускает большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства. Однако при использовании для его производства природных водоемов могут возникнуть серьезные экологические последствия для окружающих природных ландшафтов. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах возможно их выращивание в небольших биореакторах, расположенных, например, вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭС способно покрыть более 70 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей.

Ряд европейских стран в настоящее время рассматривает как перспективное направление производство биомассы культивированием фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье. Последующее метановое брожение биомассы и гидроксилирование образующегося метана позволяют получать в качестве биотоплива метанол. Основным доводом в пользу использования микроскопических водорослей является высокая продуктивность фитопланктона, до 100 т/га в год. Кроме того, при этом не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода, и нет конкуренции с сельскохозяйственным производством. Поэтому с точки зрения получения энергии данная биосистема имеет существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии. Однако осуществлению подобных проектов пока не способствует общемировая тенденция снижения цен на нефть.

По своему агрегатному состоянию биотоплива могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Твердые топлива – это традиционные дрова (часто в виде отходов деревообработки), топливные гранулы и пеллеты (прессованные мелкие остатки деревообработки). Жидкие топлива – это спирты (метанол, этанол, бутанол), эфиры, биодизель и биомазут, получаемые из растительного сырья. Наконец, газообразные топлива – это различные газовые смеси, состоящие из метана, оксидов углерода, водорода и других газов, получаемые при термическом разложении биосырья в присутствии кислорода (газификация), без кислорода (пиролиз) или при его сбраживании под воздействием бактерий.

Помимо непосредственно сельскохозяйственных продуктов источниками сырья для получения биотоплива могут быть лигно-целлюлозные соединения, остающиеся после того, как использованы пригодные для пищевой промышленности части биологического сырья. Наряду с биологическими процессами брожения для получения биотоплив применяют термический пиролиз, который позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. По некоторым оценкам, при ныне существующих технологиях производство топлив пиролизом отходов и бросовой биомассы может покрыть 20 % потребностей Германии в автомобильном топливе. А к 2030 году, по мере технологического развития, ожидается, что пиролиз биомассы сможет обеспечить до 35 % германского потребления автомобильного топлива при себестоимости производства менее 0,80 евро за литр. Возможно также использование жидких продуктов пиролиза древесины хвойных пород. В этом случае для перегонки используются в основном отходы деревообработки: сучья, пни, кора. Выход топливных фракций достигает 100 килограммов с тонны древесных отходов.

К наиболее широко используемым видам биотоплива относится биогаз – продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий собой в основном смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенов. При сбраживании куриного помета или отходов скотоводческих хозяйств, а также бытового мусора возможно получение биогаза, на 70–80 % состоящего из метана и являющегося вполне полноценной заменой природному газу. Мировым лидером по использованию этого вида топлива является Китай. В 2008 году в стране функционировало около 30 млн индивидуальных установок по производству биогаза, обеспечивающих топливом около 22 % сельских жителей страны. Объем получаемого таким образом газа, по данным на 2005 год, составил около 6,5 млрд кубометров. Для развивающихся стран ценность подобной переработки отходов заключается в первую очередь в возможности обеспечить сельских жителей природным газом, используемым для обогрева жилища или приготовления пищи. Напротив, в Германии, являющейся лидером в этой области среди развитых стран, подавляющая часть биогаза поступает на электростанции. Последние годы подобное применение биогаза становится характерным и для Китая. Для утилизации своих отходов агрохолдинги строят небольшие ТЭС, способные обеспечивать электроэнергией до 10 тыс. квартир.

Наконец, ряд микроорганизмов, например Botryococcus braunii, способны накапливать в процессе своей жизнедеятельности углеводороды, до 40 % общего сухого веса. В основном они представлены изопреноидными углеводородами.

Большой интерес к биотопливу инициировал план тогдашнего президента США Дж. Буша, в 2007 году предложившего сократить за 10 лет потребление бензина в стране на 20 % за счет его замены биотопливом. Это позволило бы на 10 % сократить потребление нефти в США. Подписанный им закон об Энергетической независимости и безопасности (EISA, 2007) предусматривает производство 36 млрд галлонов этанола в год к 2022 году. При этом 16 млрд галлонов этанола должно производиться из непищевого сырья – целлюлозы. В ходе реализации этого закона в США было построено более 200 заводов, которые сейчас производят около 45 млн тонн биоэтанола в год.

Использование биоэтанола в составе автомобильных бензинов действительно способствует снижению загрязнения воздуха транспортными средствами. Благодаря присутствию атома кислорода в молекуле этанола бензин обогащается кислородом, что обеспечивает более полное сгорание топлива, снижение токсичности выхлопных газов и содержание в них твердых частиц. Кроме того, 10 %-ная добавка этанола, имеющего октановое число 108, поднимает на 2–3 пункта октановое число топлива. Однако этанол является менее «энергоплотным» энергоносителем, чем бензин; пробег машин, работающих на топливе Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина), на единицу объема топлива составляет примерно 75 % от пробега машин на стандартном топливе. Автомобили с обычными двигателями могут использовать топлива до Е15, содержащие до 15 % добавки этанола к бензину. На смеси Е85 и чистом этаноле могут работать только специально адаптированные «гибкотопливные» (Flex-Fuel) автомобили.

До инициативы Дж. Буша мировым лидером в производстве и использовании биоэтанола в качестве автомобильного топлива в течение многих лет являлась Бразилия, где его производят из сахарного тростника. Автозаправки в Бразилии предлагают Е20 (или Е25) как обычный бензин, или «acool», в котором число показывает содержание в бензине азеотропной смеси этанола и воды (96 % С₂Н₅ОН и 4 % воды). Поскольку в Бразилии этанол дешевле бензина, недобросовестные заправщики дополнительно разбавляют Е20 этанолом, так что его концентрация может негласно доходить до 40 %.

Помимо биометанола и биоэтанола в качестве перспективного биотоплива рассматривается биобутанол. Бутанол, или бутиловый спирт (C₄H₁₀O), широко используется в промышленности. Он начал производиться в начале XX века с использованием бактерии Clostridia acetobutylicum, но затем перешли на его производство из нефтепродуктов. Бутанол не обладает коррозионными свойствами и может передаваться с использованием существующей топливной инфраструктуры. Он хорошо смешивается с традиционными нефтяными топливами, а теплотворная способность бутанола близка к теплотворной способности бензина. Сырьем для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и целлюлоза.

В отличие от американского континента в европейских странах наиболее популярным видом биотоплива является биодизель – дизельное топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации. Сырьем может быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло или любое другое масло-сырец, а также отходы пищевой промышленности и кулинарного производства. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.

В 2010 году мировое производство жидких биотоплив достигло 105 миллиардов литров (~100 млн т), что составляет 2,7 % от мирового потребления топлива на дорожном транспорте. Было произведено 86 миллиардов литров этанола и 19 миллиардов литров биодизеля. Доля США и Бразилии в мировом производстве этанола составляет 90 %. Пятерка ведущих стран-производителей биотоплива представлена на рис. 49.

Рис. 49. Пять ведущих стран-производителей биотоплива (Источник: Международное энергетическое агентство IEA)

Динамика производства биотоплива мировыми лидерами представлена на рис. 50. Как и для других видов альтернативных источников энергии, после бурного периода начального развития видна явная тенденция к снижению темпов роста и даже спаду, вызванная насыщением рынка, а главное, исчерпанием физических возможностей для экономически обоснованного увеличения объема продукции.

Мировой рынок биотоплив, динамика роста которого представлена на рис. 51, уже достиг вполне солидного уровня, превысив рубеж в 100 млрд долл.

По данным Росстата, в 2010 году российский экспорт топлива растительного происхождения (в том числе солома, жмых, щепа и древесина) составил более 2,7 млн тонн. Россия входит в ведущую тройку стран экспортеров топливных пеллет на европейский рынок, но непосредственно в России потребляется всего около 20 % произведенного биотоплива. Потенциальный объем производства биогаза в России оценивается в 72 млрд м³ в год, а возможное производство электроэнергии из него – в 151 200 ГВт, тепла – 169 344 ГВт. В 2012–2013 годах в 27 регионах России планировалось ввести в эксплуатацию более 50 небольших биогазовых электростанций с установленной мощностью от 350 кВт до 10 МВт при их суммарной мощности свыше 120 МВт.

Рис. 50. Динамика мирового производства биотоплива мировыми лидерами (Источник: Международное энергетическое агентство IEA)

Рис. 51. Объем мирового рынка биотоплива

В настоящее время все возобновляемые источники энергии продолжают развиваться быстрыми темпами. Установленная мощность ветровых генераторов достигла почти 370 ГВт, суммарная установленная мощность солнечных установок – почти 100 ГВт, а мощности геотермальной энергетики составляют 20 ГВт. Общий вклад возобновляемых источников в мировую энергетику составляет почти 2,5 %. А вместе с гидроэнергетикой, вклад которой в мировое производство энергии ~7 %, возобновляемые источники обеспечивают почти 9,5 % мирового производства энергии.

Однако если оставить в стороне гидроэнергетику, имеющую ограниченные возможности для дальнейшего развития, и которую скорее следует относить к традиционным источникам энергии, даже в ведущих по уровню развития возобновляемой энергетики странах установленные мощности возобновляемых источников пока несопоставимы с мощностями традиционной энергетики (рис. 52).

Рис. 52. Мощности возобновляемой энергетики (ГВт) в 2013 г. в 6 ведущих в этой области странах

Несмотря на огромные инвестиции в возобновляемые источники энергии, их доля в энергобалансе даже наиболее развитых стран остается крайне низкой. Например, в США, где инвестиции в возобновляемые источники энергии достигают почти половины всех бюджетных ассигнований на исследования и разработки в области энергетики, вклад возобновляемых источников составляет всего несколько процентов (рис. 53).

Рис. 53. Энергобаланс США в 2011 году (U.S. Energy Information Administration)

Наряду с наблюдаемым в последние годы замедлением темпов развития практически всех видов альтернативной энергетики, несмотря на ее активное лоббирование руководством ЕС и США, отмечается и явное сокращение финансирования работ в этой области (рис. 54). Причем финансирование в первую очередь сокращается именно в развитых странах, которые еще несколько лет назад выступали локомотивом научного и технологического развития возобновляемой энергетики. По-видимому, это свидетельствует о постепенном насыщении экономически обоснованного рынка данных технологий, дальнейшее расширение которого уже не могут обеспечить даже существенные государственные субсидии и преференции, предоставляемые этой отрасли.

Рис. 54. Мировые инвестиции в возобновляемые источники энергии и топлива в 2004–2013 гг., млрд долларов США

Особенно резко финансирование разработок в области альтернативных источников энергии в США стало сокращаться после 2008 г., когда стали очевидны успехи в добыче сланцевого газа и перспективы удовлетворения энергетических потребностей национальной экономики за счет собственных нетрадиционных видов ископаемого топлива. Понимание ограниченной роли возобновляемых ресурсов и определяющего значения ископаемых источников для мировой энергетики уже давно стало очевидным для ведущих зарубежных специалистов. Поэтому резкое сокращение федерального финансирования «экологически чистых» технологий (рис. 55) началось в США практически сразу после начала масштабной промышленной разработки огромных ресурсов сланцевого газа. Кроме того, неожиданное обилие собственных ископаемых ресурсов и восстановление контроля США над мировым рынком ископаемых топлив сделало ненужной политику шантажа добывающих стран мнимой угрозой перехода промышленно развитых стран на альтернативные источники энергии.

Рис. 55. Изменение политики США в отношении финансирования альтернативных источников энергии после начала массовой добычи в 2008 г. сланцевого газа

В отличие от громких прогнозов начала века о грядущем переходе мировой энергетики на альтернативные источники, сейчас их роль оценивается гораздо скромнее и реалистичнее. Даже в самых смелых прогнозах развития мировой энергетики возобновляемым источникам отводят достаточно скромную роль, на уровне всего нескольких процентов к 2035 г. По прогнозу Департамента энергетики США их доля составит около 6 % (табл. IX). Прогноз Бритиш Петролеум от 2015 года (BP Statistical Review of World Energy, 2015) более оптимистичен и отводит возобновляемым источникам долю в 8 % (рис. 56).

Рис. 56. Прогноз вклада различных источников в мировую энергетику в 2035 г. (Источник: BP Statistical Review of World Energy, June 2015)

Таким образом, при любом сценарии развития мировой энергетики до конца столетия роль альтернативных источников будет оставаться достаточно скромной, хотя, конечно, их технический прогресс будет продолжаться, открывая для них новые возможности и области применения.

Таблица IX. Прогноз динамики вклада возобновляемых источников и угля в мировую энергетику, а также энергетику США и Китая (ГВт) (Источник: Департамент энергетики США, 2010 г.)