Энергетика: что впереди?

Владислав Заря

Энергетика и еще в большей степени энергетическая экономика — понятия настолько всеобъемлющие, что практически невозможно назвать род деятельности, который совсем не имел бы к ним отношения. Поэтому сразу оговоримся, что интересовать нас будет преимущественно производство и распределение электроэнергии, а также в некоторой степени теплоэнергетика (поскольку тепло и электричество зачастую производятся на одних и тех же предприятиях).

Что сейчас?

Производство и распределение электроэнергии представляет собой одну из крупнейших отраслей, всемирный годовой доход которой превышает сейчас 800 млрд долларов, приблизительно вдвое превышая таким образом доход, например, автомобильной промышленности. Первое предприятие, предлагавшее электричество потребителям на коммерческой основе, появилось в 1880 г. Его основатель, не кто иной, как знаменитый изобретатель Томас Алва Эдисон, представлял себе в те дни будущее электрического бизнеса как конгломерат множества мелких компаний, соревнующихся между собой на общерыночных основах. Реальность, однако, оказалась иной. Появление мощных трансформаторов позволило, повышая напряжение тока, передавать его на значительные расстояния. В результате верх в экономическом состязании взяли в основном два вида электрогенераторов: паровые турбины, приводимые в движение паром от воды, нагретой теплом от сжигания ископаемых углеводородов, и гидротурбины, для вращения которых использовалась энергия течения рек, запасаемая и направляемая с помощью плотин. Поскольку оба этих вида турбин были значительно экономичнее и производительнее, если делать их крупнее, то электростанции становились все больше.

Не приходится удивляться, что отрасль, состоящая почти исключительно из крупных и сверхкрупных предприятий, быстро ставших жизненно важными для функционирования общества в целом, оказалась организована в виде монополий с вертикальной структурой, деятельность которых регламентировалась государством. Окончательно такая структура оформилась уже после II мировой войны; в Великобритании, например, за первое послевоенное десятилетие более 600 компаний, производящих и передающих электроэнергию, оказались объединены в единую государственную монополию [2]. В России такая структура сохраняется и поныне: это, конечно же, Российское акционерное общество энергетики и электрификации «Единая энергетическая система России» (РАО «ЕЭС России»). В него входят 72 региональных АО-энерго, 34 электростанции суммарной мощностью 167 млн кВт (мощность всех российских станций — 215 млн кВт), ежегодная выработка 680 млрд кВт·ч (общероссийская — свыше 820 млрд); высоковольтные линии электропередачи протяженностью 640 тыс. км и предприятия инфраструктуры. За пределами РАО остались независимая региональная энергосистема «Иркутскэнерго» с крупнейшими Иркутской, Братской и Усть-Илимской ГЭС и все атомные электростанции, дающие примерно 11% производимой в стране электроэнергии.

Некоторое время казалось, что вертикально интегрированная структура себя оправдывает и более того — приносит бурный рост экономики. 1950-е и 1960-е гг. стали эпохой бурного экстенсивного развития энергетики. Цены на электричество стабильно снижались. Успехи энергетических компаний было принято измерять исключительно количественным ростом продажи электричества; крупных потребителей энергии нередко поощряли, делая для них ценовые скидки.

Однако уже в шестидесятые годы техническое совершенствование электрогенераторов с паровыми турбинами затормозилось, достигнув приблизительно кпд 33%. Дальнейшее повышение производительности делало их слишком дорогими и ненадежными. То был, впрочем, лишь первый тревожный звонок, неспособный сам по себе нанести какой-либо урон энергетике, основанной на сжигании ископаемого топлива.

Первым по-настоящему тяжелым ударом, впервые заставившим правительства задуматься, насколько разумно опираться исключительно на ископаемые энергоносители, стал политический кризис, вызванный арабо-израильским военным конфликтом в 1973 г. Западные государства поддержали в этом конфликте Израиль и в ответ арабские страны наложили эмбарго на поставку нефти в США и Нидерланды. К концу этого эмбарго, продержавшегося полгода, цены на нефть в США взлетели более чем вчетверо, вызвав жестокий экономический кризис, и едва ли не впервые множество людей задумались над тем, что запас ископаемых отнюдь не бесконечен.

Долго ли нам еще копать?

Строго говоря, точно этого никто не знает. Поиски нефтяных, угольных и газовых месторождений в XX веке велись с интенсивностью и размахом, далеко оставившими позади «золотую лихорадку». Одновременно совершенствуются технические средства добычи, позволяя более полное изъятие ископаемых из месторождений. Поэтому если согласно оценке 1969-го года запасы нефти и газа в мире должны были иссякнуть к 2015 г. [9], то по мнению других специалистов, опубликованному в 1991 г., уже только при добыче существующими на это время средствами нефти должно было хватить на 30 лет вперед [10]. Разведанные запасы газа возросли еще радикальнее: только в России, где сосредоточено порядка 35 % разведанных запасов газа, его должно хватить на 70-80 лет с учетом того, что часть газа будет экспортироваться [6]. Однако в любом случае ясно, что конец запаса ископаемого топлива не просто виден, но и не за горами: истощение его — вопрос никак не веков, но десятилетий.

Задолго до того как начнется реальное истощение ископаемых углеводородов, человечество неминуемо сотрясут вызванные их нехваткой политические конфликты, и перед ними поблекнут конфликты последней трети XX в., которые также все можно так или иначе свести к вопросам контроля за месторождениями. Стоит помнить и о том, что углеводороды являются также сырьем для химической промышленности — синтеза пластмасс и т. д. — так что их сжигание это еще и безвозвратное уничтожение ресурсов, которые можно было бы использовать с куда большей выгодой.

Уголь — наиболее изобильное из горючих ископаемых; его при сохранении нынешних темпов использования может хватить человечеству на 350 лет [10]. Наконец, существуют такие нефтесодержащие ископаемые породы, как битуминозные пески и горючие сланцы, запасы которых также весьма обильны и технология извлечения нефти из которых уже существует. Страшно, однако, даже подумать, что станет с окружающей средой в случае, если человечество вздумает воспользоваться этими запасами.

Сжигая ископаемые — сжигаем среду

Именно на производство электричества сегодня уходит большая часть сжигаемого ископаемого топлива, и особенно много самого «грязного» из его видов — угля. Поэтому треть производимого человеком углекислого газа, главного из парниковых газов, ответственных за глобальные изменения климата, и две трети диоксида серы, играющего одну из основных ролей в ухудшении качества воздуха, появляются на свет в результате работы электростанций.

Массовое осознание обществом проблемы воздействия энергетики на экологию также развилось на рубеже 1970-х гг. В некоторых регионах оно появилось, впрочем, гораздо раньше. Американский штат Калифорния вынужден был принять первые законы о чистоте воздуха еще в 1950-х гг., тогда как вся страна последовала за ним в 1970 г. На протяжении 1970-х и 1980-х то же самое пришлось сделать всем промышленно развитым и многим развивающимся странам. Наиболее твердолобых проняла волна «кислотных дождей», прокатившаяся по Европе в восьмидесятые; их главным «виновником» был оксид серы.

Принятые законы привели к тому, что электростанции оказались вынуждены принимать меры по очистке исторгаемого ими дыма. К началу 1990-х гг. в развитых странах большинство электростанций обзавелись устройствами для десульфуризации — удаления из дыма двуокиси серы. Наиболее совершенные из них позволяют перехватывать до 95% SO2, содержащегося в продуктах сгорания. Такие устройства, однако же, недешевы и могут в некоторых случаях составить до 45% стоимости всей электростанции [2]. При этом значительно уменьшить загрязнение воздуха так и не удалось, ведь к прежним электростанциям все время прибавлялись новые и новые. В США эмиссия двуокиси серы достигла пика в середине 1980-х гг. и после этого, несмотря на все ухищрения, так и не упала более чем на 25%. В Германии успехи заметнее: там эмиссия SO2 сокращена с 1987 г. на 80%, выбросы оксидов азота — на 75% и пыли на 98%; однако все это потребовало вложения в очистку 34 млрд марок [11].

Еще серьезнее проблема стоит в развивающихся странах, многие из которых вовсе не имеют законов о чистоте воздуха, а в других эти законы не выполняются. Наиболее ярок пример Китая, большую часть электричества получающего от угольных электростанций, на которых продукты сгорания либо вовсе не очищаются, либо очищаются недостаточно (Китай — крупнейший мировой потребитель угля). В результате загрязнение воздуха в Китае является катастрофическим: лесам нанесен огромный ущерб из-за повышения кислотности почвы (ту же проблему в 1980-х гг. переживала Европа); воздух в городах в 14 раз превышает по загрязненности частицами копоти городской воздух в США, что вызывает соответствующий уровень заболеваемости. Согласно оценкам, более 900 000 человек в Китае умирает ежегодно из-за болезней легких, вызванных загрязнением [1]. Немногим лучше ситуация с очисткой дымов и в России, с той разницей, что основным топливом является мазут .

Еще одним важным загрязнителем, попадающим в окружающую среду в результате сжигания органического топлива, являются тяжелые металлы, прежде всего свинец, ртуть, кадмий и мышьяк. Уголь и нефть содержат все эти вещества в крошечных концентрациях, так что выделить и обезопасить их невозможно, — но при огромных масштабах сжигания энергоносителей, которых требует энергетика, в воздухе тяжелые металлы оказываются в более чем значимом количестве. Из пепла и золы они также вымываются осадками, попадая в реки и грунтовые воды. В той же золе содержатся и радиоактивные вещества в количестве, превышающем радиоактивное загрязнение от работающих АЭС.

У отдельных видов ископаемого топлива могут быть и свои, специфичные пути нанесения ущерба природе и человеку. Добыча угля сопряжена либо с прокладкой шахт, работа в которых чрезвычайно вредна для шахтеров и чревата частыми авариями, либо с разработкой открытых карьеров, которые могут занимать десятки квадратных километров (например, в Синграули, Индия), полностью лишая эти территории возможности использования их живыми существами и убивая угольной пылью окрестные леса и реки. Еще ужаснее эта проблема могла бы стать в случае массовой добычи горючих сланцев, залегающих на обширных площадях неглубоко под поверхностью земли. После выделения из них нефти остаются огромные отвалы пустой породы.

Здесь же следует упомянуть крупные аварии, связанные с разливами нефти. Политическая нестабильность значительно увеличивает масштабы и усиливает вероятность таких аварий. В 1991 г., во время войны в Персидском заливе, иракские войска, прежде чем покинуть оккупированный ими Кувейт, слили 3 млн баррелей нефти в залив и еще больше — в пустыню, а затем подожгли более 500 нефтяных скважин. Около года Кувейт полыхал, напоминая ад и исторгая в 10 раз больше загрязнения, чем вся промышленность и энергетика величайшего загрязнителя — США.

Под конец мы оставили тот вид воздействия на окружающую среду, который при сжигании топлива невозможно ни отфильтровать, ни как-нибудь иначе ослабить — образование углекислого газа. Оно неизбежно вследствие самой химии процесса горения, состоящего в окислении углеводородов кислородом атмосферы. Отрицать резкое увеличение содержания углекислого газа в земной атмосфере на протяжении XX в. невозможно. Только за последние 35 лет оно повысилось на 13%. Мало кто уже отрицает и воздействие этого увеличения на климат, чреватое глобальными природными катастрофами. Нужно ясно отдавать себе отчет, что пока в мировой энергетике преобладают процессы сжигания ископаемых видов топлива, от накопления самыми быстрыми темпами CO2 избавиться невозможно.

Существует, правда, еще одна разновидность энергетики, которая практически не образует углекислого газа и которую на этом основании до сих пор, как ни странно, некоторые объявляют «экологически чистой» — энергетика атомная.

Нужен ли миру «мирный атом»?

Если облик электроэнергетики в целом формировался под воздействием законов экономики и технологических принципов, то атомная энергетика зародилась и развивалась под влиянием совершенно других сил — политических и психологических.

С одной стороны, атомные электростанции возникли вследствие и в тесной связи с производством атомного оружия. С другой — научное сообщество и общество в целом пребывали в 1950-е и 1960-е гг. под воздействием эйфории от быстрого продвижения в познаниях о строении вещества. Казалось, что все человеку уже подвластно, а что неподвластно сейчас, то вот-вот будет достигнуто. Результатом сочетания этих факторов и стал бурный рост атомной энергетики. Далее процесс ее развития стал самоподдерживающимся: огромные денежные и ресурсные вклады в АЭС и их инфраструктуру не позволяли отказаться от уже достигнутых результатов и привлекали все новые средства. С другой стороны, «высокотехнологичность» и «мощь» атомных электростанций неудержимо привлекали политиков с их «государственным мышлением». Да и многих ученых-физиков по-прежнему влекли мечты о власти над веществом (а заодно и, что греха таить, о хорошем государственном финансировании их областей научных интересов). Между тем уверенность в том, что ответы на все вопросы вот-вот найдутся, сыграла с атомщиками очень злую шутку, так как ответы нашлись далеко не на все, а за некоторые ответы пришлось заплатить слишком дорогую цену.

Обыкновенно в дискуссиях об атомной энергетике принято основное внимание уделять аргументам, связанным с безопасностью. Это понятно: такие аргументы многочисленны и доходчивы. В последнее время в связи с обострением дебатов, вызванных принятием печально известных поправок к Закону об охране окружающей среды, разрешивших ввозить в Россию радиоактивные отходы, эти аргументы приводились неоднократно, в том числе и в «Волне». Поэтому здесь мы не будем подробно обосновывать их еще раз, а лишь кратко перечислим:

• Отсутствие надежного решения проблемы хранения радиоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива. Существующие решения ненадежны и дорогостоящи.
• Возможность аварий на АЭС всегда сохраняется, так как абсолютной надежности не существует (особенно с учетом человеческого фактора), и огромный масштаб ущерба от таких аварий, продемонстрированный Чернобыльской катастрофой.
• Большое количество свидетельств об опасности для здоровья длительного воздействия малых доз радиации.
• Уязвимость АЭС для террористических актов, а также в случае боевых действий.
• Возможность использовать получаемый в результате работы АЭС плутоний для изготовления атомного оружия.
• Уязвимость радиоактивного топлива и материалов для аварий и терактов при перевозке.

Сторонники атомной энергетики привыкли относить опаску, с которой обычно относится большинство людей к радиоактивной опасности, на счет недостаточного понимания ими научно-технической стороны дела — «недостаточной просвещенности». Но в свете вышеуказанного больше похоже на то, что здесь играет роль обыкновенный здравый смысл (а после Чернобыльской катастрофы — обыкновенный инстинкт самосохранения. — Прим. ред.). Однако на этот раз хотелось бы более подробно остановиться на другой группе причин, по которым атомная энергетика не может стать энергетикой будущего — причинах экономических.

Атомные электростанции считаются образчиками высоких технологий однако при этом энергетическая эффективность используемых в них процессов смехотворно низка. В электричество удается превратить не более 3% энергии, содержащейся в радиоактивном топливе, и процесс, посредством которого извлекается эта энергия, ничуть не отличается от аналогичных механизмов в допотопных угольных электростанциях: нагревание воды с подачей образующегося при этом пара в паровую турбину. В сущности, использование делящихся (радиоактивных) материалов подобным образом — это то же самое, что сжигание нефти и газа: растрата невосполнимого ресурса, которому когда-нибудь в будущем, возможно, удалось бы найти более выгодное и безопасное применение.

В первую, бурную эпоху развития атомной энергетики, обусловленную, как уже упомянуто, внеэкономическими причинами, никто особенно не задумывался над тем, сколько она будет стоить, тем более что строительством АЭС занимались государственные монополии, свободные от конкуренции. Капиталовложения как в строительство АЭС, так и в научно-инженерные разработки были огромны. Если оценивать стоимость «атомного» электричества по цене, за которую электростанции предлагают свою продукцию потребителю и которая определяется расходами на функционирование станции и на топливо, то оно часто оказывается даже дешевле электричества из других источников. Однако если включить в его стоимость расходы на проектирование и постройку АЭС, да еще и расходы на демонтаж и консервацию после того, как она отслужит свой срок (а они не оценены еще в полной мере, однако уже ясно, что огромны), то такое электричество окажется воистину «золотым» [6].

Помимо дороговизны один из основных ограничивающих недостатков АЭС — длительность их постройки. То и другое особенно заметно в сравнении с современными электростанциями, где используются газопаровые комплексы (о них речь чуть ниже). В США, например постройка последних 20 атомных реакторов обошлась в 3-4 тыс. долл. за кВт мощности, тогда как газотурбинных электростанций — лишь 400-600 долл. за кВт, и при этом на их постройку уходит в несколько раз меньше времени, то есть инвестиции в них быстрее начинают окупаться.

Так что не приходится удивляться, что в последнее десятилетие, когда во многих странах электроэнергетика начинает возвращаться под действие рыночных сил, стремительное когда-то развитие атомной ее составляющей сходит на нет. Если в 1970-е гг. рост производительных мощностей атомной энергетики составил 700%, то в 1980-е — уже 40 %, а в 1990-е — менее 5%, причем в 1998 г. они вообще сократились на 175 мВт. Таким образом, из самой быстро развивающейся части энергетики атомная превратилась в наиболее застойную. Если сравнить нынешнее положение в атомной энергетике с тем, что предрекали прогнозисты 1970-х, то окажется, что действительность отстает от прогнозов шестикратно.

Одной из первых ощутила стагнацию атомная энергетика в США: после 1979 г. (год аварии АЭС на Тримэйл-Айленде) там не начала строиться ни одна АЭС. Зато шесть реакторов было заторможено и совокупная мощность АЭС США за последнее десятилетие XX в. уменьшилась. В Канаде функционирование 21 реактора «приостановлено» и будут ли они вновь запущены — неизвестно.

Западная Европа последовала за Северной Америкой чуть позже, но после 1986 г. там начато строительство лишь трех реакторов. Даже Франция, известная тем, что получает от АЭС 75% своей электроэнергии, наложила мораторий на постройку новых АЭС, а в остальных странах обсуждается лишь вопрос о том, как быстро и в каком порядке закрывать уже существующие.

Последней твердыней атомной энергетики остается Азия, однако и там темпы ее развития замедляются.

В России сейчас девять функционирующих АЭС (семь из них — в европейской части страны), на которых в общей сложности 29 реакторов общей мощностью 98 ТВт, что составляет 11,4% от всего электричества страны. Минатом продолжает строить планы расширения атомной энергосистемы, которое было бы невозможно без поддержки правительства. Приходится сделать вывод, что комплекс внеэкономических факторов, подталкивающих развитие атомной энергетики, в нашей стране все еще сохранил влияние, что весьма печально, поскольку убыточность российской атомной энергетики с очевидностью следует из действий самого атомного лобби. Вспомним, что при «протаскивании» через Думу закона о разрешении на ввоз в Россию отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) на постоянное хранение в качестве одного из основных аргументов выдвигался следующий: без денег, которые якобы удастся получить за счет такого ввоза, у нас не окажется средств для обращения с собственными весьма значительными накоплениями тех же ОЯТ. После того как всероссийский референдум едва не погубил это мероприятие на корню (но был, к несчастью, сорван с помощью бюрократических уловок), чиновные сторонники атомной энергетики спохватились и взялись «просвещать» население с помощью заказных статей и телепередач в средствах массовой информации, расписывающих безопасность «мирного атома». В качестве одного из примеров можно привести подборку материалов в «Комсомольской правде» за 13 февраля 2002 г. на целый разворот, где сообщается, что Чернобыльская катастрофа, оказывается, вовсе и не была особенно опасной! Перед лицом подобной пропаганды остается надеяться на здравый смысл читателей.

Газ «под ручку» с паром

Итак, если не атом, тогда что же? В стратегической перспективе заменой энергетике, основанной на сжигании невозобновимых запасов углеводородного топлива, должны послужить практически неисчерпаемые источники энергии — ветер, солнечная лучистая энергия, энергия земного тепла. Все виды генераторов, основанных на этих источниках энергии, быстро развиваются и наращивают конкурентоспособность, о чем подробней чуть ниже. Пока же главной коммерческой альтернативой атомным, угольным и мазутным электростанциям остаются газовые, в особенности современные газопаровые энергетические комплексы. Широкое их использование началось только в конце 1980-х гг. (Принцип был известен давно, однако лишь к этому времени появилась возможность изготовления монокристаллических жаропрочных лопастей, необходимых для конструкторской реализации такой системы.) Суть подобных комплексов состоит в том, что природный газ поджигается в камере сгорания, вращая турбину, а продукты сгорания, все еще имеющие высокую температуру, направляются для охлаждения в котел-утилизатор, где они греют воду, подавая образующийся пар на обычную паровую турбину. Как пример этой технологии можно назвать турбину 9001Н американской компании «Дженерал электрик». Мощность этой турбины — 480 мвт, а монокристаллические лопатки турбины достигают длины 1 м [17].

Разумеется, такая система все еще остается основанной на сжигании невосполнимых запасов природных ископаемых, и продолжает производить CO2. Однако она уже имеет огромные преимущества по сравнению с угольными и нефтяными системами. Во-первых, газ — наиболее «чистое» из топлив, которое производит на порядок меньше оксидов азота, нежели уголь или нефтепродукты. Оксида серы практически не образуется, а пылевых частиц — мизерное количество, углекислого газа же не более 60%. Во-вторых, кпд газопаровых комплексов способен составлять более 50%, т. е. является очень высоким, далеко превосходя производительность простых паровых турбин. Стоимость их невысока, как упоминалось выше, составляя около половины стоимости угольной электростанции той же мощности, а строительство благодаря модульной организации не занимает много времени (так, строительство огромной газопаровой электростанции Тисайд в Англии мощностью 1875 мВт потребовало всего 2,5 года).

Благодаря описанным выгодам сейчас газопаровые комплексы пользуются в мире значительной популярностью, так что по всему миру в них перестраивают устаревшие угольные электростанции. В США, согласно государственной энергетической программе, намечено до 2020 г. ввести в действие 400 ГВт мощностей, около трех четвертей из которых придется на газовые и газопаровые установки [17]. Разумность инвестиций в эту отрасль электроэнергетики по сравнению с атомной не оставляет сомнений. Минусом же можно назвать их достаточно высокую технологическую сложность. В России пока производства своих газовых турбин с закрытым капиллярным охлаждением лопастей нет. Однако есть возможность сотрудничества с другими странами. Первый у нас газопаровой комплекс запущен в конце 2001 г. на Северо-Западной ТЭЦ г. Санкт-Петербурга с помощью Германии.

Еще одна технология «переходного» периода, не использующая возобновимые источники энергии, однако куда менее грязная и более гибко отвечающая на запросы потребителей, нежели атомные, угольные и мазутные гиганты — это газотурбинные генераторы. Они относятся уже к сфере малой энергетики и принципиальным устройством напоминают турбореактивные двигатели самолетов (именно из авиатехники и были позаимствованы основные технологии, понадобившиеся для создания таких генераторов).

Будет, пожалуй, уместно здесь отметить, что вообще все современные технологии экологически щадящего производства электроэнергии, от устройств для высоких степеней очистки выбросов старых электростанций до ветрогенераторов и топливных элементов, являются высокотехнологическими продуктами нескольких десятилетий научных поисков и инженерных разработок, поэтому особенно нелепо выглядит устаревший пропагандистский прием, объявляющий всех сторонников «зеленых» взглядов технофобами, зовущими к возвращению в каменный век. То, что у нас в стране на удочку этого приема все еще ловится немало народа, можно объяснить лишь прискорбнейшим недостатком информации.

Малые газотурбинные генераторы имеют мощность от 1 до 25 мВт и кпд от 40 до 60%, а по некоторым источникам и до фантастической цифры в 88% (последнее в тех случаях, когда они используются одновременно для выработки тепла). Стоимость их невелика (до 350 долл. за кВт мощности), а процесс установки занимает несколько месяцев. Основными потребителями таких установок являются коммунальные службы, так как они очень удобны для обеспечения надежным и независимым источником энергии жилых домов или небольших предприятий. Окупается такая установка всего за полтора года.

В России лидерами в производстве малых газотурбинных генераторов являются два крупнейших авиамоторных завода — «Рыбинские моторы» и «Пермские моторы», второй из них перешел на выпуск генераторов практически полностью. В настоящее время действуют или находятся в стадии поставок и монтажа порядка 100 газотурбинных электростанций пермского производства.

Меньше да лучше все-таки лучше

Здесь самое время перейти к обозначившимся в последние десятилетия изменениям в общей структуре мировой энергетики. В последние 2–2,5 десятилетия всемирная структура энергетических монополий стала давать трещины. Одна за другой, многие страны разрешили и законодательно закрепили наличие в энергетике независимых компаний, как правило, небольших или средних, которые способны составить конкуренцию государственным гигантам за счет мобильности и использования наиболее передовых методов и технологий.

США разрешили образование независимых энергокомпаний еще в 1978 г., в результате к 1992 г. они уже производили 7% электричества страны и развивались при этом быстрее, чем государственные. Сходные изменения произошли в Индии, Нидерландах, Англии. Последней всего за несколько лет удалось построить одну из самых открытых в мире энергетических систем и в значительной степени благодаря этому практически полностью перейти в производстве энергии с угля на газ. С ограничениями разрешены независимые производители электроэнергии в Японии, Дании, Германии и Швейцарии. В этом же направлении движутся энергетические реформы ряда развивающихся стран, в том числе Индонезии, Китая, Мексики и Сирии. В России этот процесс нашел выражение в готовящейся реформе РАО «ЕЭС России», целью которой объявлено создание в стране либерализованного энергетического рынка, однако к чему она в конце концов приведет, сказать пока невозможно.

Эти экономико-политические изменения, думается, не случайны, а отражают в определенной мере ход технического развития. Дело в том, что переход от гигантских электростанций к малым — одна из наиболее выраженных на сегодняшний день и безусловно оптимальных тенденций. Мир вновь поворачивается лицом к концепции, согласно которой электричество должно предоставляться множеством мелких, быстро реагирующих на спрос и подстраивающихся к требованиям потребителя производителей. В США, где эта тенденция проявляется особенно ярко, как благодаря высокому развитию технологий, так и из-за острых проблем с окружающей средой, средняя мощность вводимой в строй электростанции в середине 1980-х гг. составляла 600 МВт, в 1992 г. — 100 МВт, а в 1998 — уже всего 21 МВт [5]. Особенно же бурный рост испытывают микроэлектрогенераторы, то есть те, мощность которых не превышает 10 кВт.

В самом деле, по данным тех же США, средний жилой дом потребляет 1,5 кВт энергии, а среднее предприятие — 10 кВт. Обеспечение этих потребностей за счет малой электростанции помогает сэкономить на линиях электропередачи, позволяет использовать выделяемое генератором тепло для обогрева, более чем вдвое повышая, таким образом, производительность, и дает независимость от неожиданных сетевых отключений электричества, что может быть очень важно для таких предприятий, как банки или больницы. (Это действительно значительное повышение надежности, так как на долю распределительных сетей приходится 95% всех отключений электричества). В случае если малый генератор работает на газу или на возобновляемом источнике энергии, экологический выигрыш также очень значителен. Энергия, производимая малыми генераторами, все еще стоит в большинстве случаев дороже, чем электричество крупных станций, но разрыв благодаря техническому развитию последних десятилетий заметно сократился, а в будущем сократится еще сильнее, особенно с развитием массового производства.

Малые генераторы могут объединяться между собой по модульному принципу, поэтому при необходимости более высоких мощностей можно просто установить несколько таких генераторов.

Россия также испытывает острейшую необходимость в малых источниках энергии. По разным оценкам от 50 до 70% территории страны не охвачены централизованными электросетями [7]. При нынешнем состоянии экономики эта проблема дополнительно усугубляется тем, что даже в районах, где централизованное электроснабжение присутствует, оно то и дело отключается то по техническим, то по финансовым причинам. Однако не следует думать, что отключения энергии в сети — это только наша национальная проблема. Даже в развитых странах отказы в сетях распределения электричества причиняют колоссальный ущерб.

Впрочем, малые источники электричества совсем не обязательно должны оставаться вне распределительных сетей. При их установке в тех местах, где такие сети уже существуют, подключение может сохраняться, обеспечивая покрытие пиковых потребностей в электричестве; это особенно удобно при использовании таких источников энергии, которые имеют нестабильный характер, как ветер или солнце. Излишки вырабатываемой малым источником энергии могут опять-таки сбрасываться в сеть, что способно в перспективе привести к развитию электросетей нового типа — децентрализованных и самоорганизующихся, наподобие живых систем. Еще недавно возможность подключения к сети таких нерегулярных источников, как ветровые и солнечные генераторы, оспаривалась, но она возникла благодаря развитию новых технологий подключения, переключения и управления энергетическими потоками. Например, существующие сейчас микропроцессоры могут собирать данные о запросах на электричество в автоматизированных процессах. Для построения таких сетей, однако, необходимы существенные изменения в энергетическом законодательстве и налогообложении. В частности, необходимо гарантировать, чтобы малые производители электричества получали справедливую цену за произведенную ими энергию (отсутствие такого законодательства — одно из основных препятствий развитию независимых производителей электроэнергии в России [7]). Такие законы действуют сейчас в Дании, Германии и Японии, а также в 29 штатах США, способствуя развитию ветровой и солнечной энергетики.

В заключение упомянем и о таком неочевидном, но немаловажном преимуществе малой энергетики, как повышение независимости отдельных лиц, групп и сообществ от государства и монополий, что способствует развитию общества и укреплению демократии.

Пока еще невозможно окончательно сказать, какую долю энергетического рынка будет занимать малая энергетика в среднесрочной перспективе, однако ускоренное развитие ее продолжается, в первую очередь в развитых странах. В США, как считают аналитики, при сохранении нынешнего темпа, составляющего 32% прироста в год, к 2003 г. уровень продаж электрогенераторов мощностью от 1 кВт до 5 мВт составит 16 млрд долл. [5].

Беречь или растрачивать?

В разговоре об энергетике невозможно обойти такую сверхактуальную тему, как энергосбережение. Как уже упоминалось, производители электричества до начала 1970-х гг. придерживались концепции безудержного расширения, измеряя свои успехи ростом количества проданной энергии. Но после того как стало выплывать на свет, чего стоит этот рост природе и человеческому здоровью, законодатели во многих странах начали обязывать потребителей и производителей электричества принимать меры по повышению эффективности использования энергии. Этому сильно способствовало и то, что экономисты быстро доказали: сэкономленная энергия всегда дешевле вновь произведенной.

Для начала было запрещено делать ценовые скидки крупнейшим потребителям электричества, чтобы не поощрять его излишнюю трату. Затем был разработан подход, ставший известным как «менеджмент со стороны потребителя», включающий полный энергетический аудит с проверкой всех возможностей сбережения электроэнергии. Началась интенсивная разработка устройств, которые делали то же самое, что и раньше, но с меньшими затратами: энергетически эффективных лампочек, холодильников, других бытовых устройств. Большое внимание стало уделяться теплоизоляции помещений, чтобы не расходовать зря энергию на нагревание. Возникли трансформаторы, расходующие на 70-90% электричества меньше обычных. Одним из способов заметно сократить расходы энергии в промышленности стала постройка электростанции непосредственно в черте предприятия с дальнейшим использованием выделяющегося в процессе выработки энергии тепла на обогрев рабочих помещений. Результатом такого комбинированного использования является 15-20% экономии.

Возникает вопрос, как заставить производителей электроэнергии заниматься энергосбережением, если чем больше электричества они продадут, тем им выгоднее? Мировой опыт подсказывает два пути. Во-первых, можно законодательно обязать их беречь энергию (и помогать делать то же самое своим клиентам) и карать за невыполнение штрафами и другими санкциями. Но можно и заинтересовать электропроизводителей, позволяя им получить часть сэкономленных на энергосбережении денежных средств — либо непосредственно, либо в виде налоговых льгот.

В результате всех этих мер, темпы роста производства электроэнергии в промышленно развитых странах оказались намного ниже, чем ожидалось. В развивающихся странах, по оценке западных же специалистов, в ближайшие три десятилетия рост производства электричества можно уменьшить на четверть за счет повышения эффективности его использования. Что же касается стран СНГ и Восточной Европы, то по мнению экспертов, они могли бы полностью обеспечивать рост потребностей в электричестве исключительно за счет энергосбережения вплоть до 2010 г.

Относится это и к России. Несмотря на то, что энергосбережение у нас регулируется внушительным пакетом документов, начиная с Федерального Закона «Об энергосбережении» № 28-ФЗ от 03.04.96 г. и включая ряд президентских указов и постановлений правительства, к сожалению, все они преимущественно относятся к первому из упомянутых способов регуляции — способу «большой палки». Попыток заинтересовать производителя в сбережении нет; успехи соответствующие. (В РАО «ЕЭС России» имеется, кроме того, Центр энергосбережения, образованный в 1999 г., стратегической задачей которого является «становление энергосбережения как бизнеса».)

Взнузданный ветер

Великий фантаст и футуролог Герберт Уэллс перед самым началом XX в. описал мир через двести лет, в котором основным источником энергии служили огромные ветряные двигатели. На протяжении почти всего двадцатого столетия это предсказание писателя служило поводом для насмешек над ним — но к его исходу настала пора задуматься, а не оправдывается ли и этот прогноз человека, угадавшего немало черт грядущего?

На сегодняшний день ветровая энергетика является самым быстроразвивающимся сегментом энергетического рынка, причем с большим отрывом, ежегодно увеличивая мощности на 22% («вторым номером» идет солнечная энергетика, растущая в год на 16%, а следующий темп развития у геотермальной энергетики, 4%). К середине 1990-х гг. по всему миру было установлено около 20 000 турбин, производивших около 3 000 МВт электричества — а к 2000 г. это количество увеличилось еще на 7 000 МВт. Не осталось ни одной развитой страны, которая не имела бы масштабную программу развития у себя ветровой энергетики и законы, поддерживающие ее развитие, а к ним присоединились уже многие страны с развивающейся или «переходной» экономикой (Китай, Аргентина, Индия, Мексика).

Современный ветровой генератор, конструкционный облик которого более или менее сложился еще в 1980-е гг., представляет собой в типичном случае трехлопастную турбину, ориентированную против ветра. Это высокотехнологическое устройство, созданное на основе аэродинамических моделей, из легких композитных материалов*, с использованием электронных средств управления.

Наиболее популярны сейчас в мире коммерческие модели мощностью в 0,6-1 мВт, но встречаются и двух-трехмегаваттные. Чтобы еще больше повысить мощность ветровых электростанций, их нередко объединяют в системы из нескольких генераторов, именуемых «ветровыми фермами» (wind farms) или «ветровыми парками»; однако в Германии и Дании, соответственно крупнейшем и третьем в мире производителях ветрового электричества, большая часть турбин расположена по отдельности или небольшими группами и присоединены к местным электросетям. Ветряные генераторы часто используются в фермерском хозяйстве; широко применяются они, например, в сельских районах Китая, где установлено больше 150 000 совсем мелких турбин мощностью по 0,2 кВт.

Некоторые регионы в Дании, Голландии и Испании уже получают от ветра до 25 % всей электроэнергии. Другие местности, богатые ветроресурсами только ждут освоения — Великие Равнины США и китайская Внутренняя Монголия буквально взывают о размещении в них большого количества ветростанций. Стоимость ветрового электричества сейчас самая низкая среди всех видов электричества, получаемого из возобновляемых источников, и приближается к стоимости электричества, добываемого путем сжигания ископаемых топлив, если не считать затрат на разработку и создание производственных мощностей. Чем более развивается инфраструктура ветровой энергетики, тем далее снижается его стоимость. Сейчас она составляет порядка 1000 долларов США за 1 кВт установленной мощности, зато расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание находятся в пределах от 0,006 до 0,01 доллара США за 1 кВт·ч.

Иногда утверждается, что ветрогенераторы выводят из обращения значительные территории. Но эти территории в любом случае относятся преимущественно к малоиспользуемым или неиспользуемым вовсе в хозяйственной деятельности: степи, пустоши, побережья морей и океанов. В других случаях землю, «занятую» ветровой турбиной, поднятой на мачте на много метров, вполне можно продолжать использовать для других целей. Хотя следует с осторожностью размещать ветровые генераторы в районах обитания многочисленных или редких птиц, так как для пернатых они представляют определенную опасность.

С 1985 г. доля электростанций, использующих энергию ветра, выросла в мире на 487% [19]. 80% ветроэнергетических мощностей сосредоточено сейчас всего в четырех промышленно развитых странах: Германии, Дании, Испании и США. Германия идет первой в развитии ветровой энергетики, хотя она начала развитие этой отрасли лишь в 1991 г. В земле Шлезвиг-Гольштейн ветер производит больше 15% электричества.

Также активно развивает ветроэнергетику Испания, где мощности перешагнули за мегаватт. В Испании наиболее «ветрофицированный» регион — Наварра, он берет от ветра 23% электричества. Дания — мировой лидер в области разработки и производства ветровых генераторов, получающий значительную часть внешнего дохода за счет их экспорта: там производится почти половина устанавливаемых по всему миру ветротурбин. Дания и Швеция также расчитывают расширять свой парк ВЭС за счет их сооружения в прибрежной зоне. Нидерландская фирма Enron Wind уже установила в Швеции 7 ВЭС мегаваттного класса на мелководье [23].

В США развитие ветровой энергетики неравномерно. Сильный толчок она получила там в конце 1990-х гг. благодаря налоговой льготе. Самая крупная из существующих в США ветровых ферм находится в Миннесоте, ее мощность — 107 мВт. Также значительно развитие ветровой энергетики в Калифорнии, Вайоминге, Орегоне, Техасе, Неваде.

Из стран «третьего мира» лидером в области энергии ветра является Индия, где развитие ее было также поддержано налоговыми льготами; правительство Индии планирует увеличение доли вырабатываемой энергии от ВЭС в 2010 г. до 5%, а в 2020 г. — до 10% [23]. Большие планы, хотя и не подкрепленные законодательно, также у Китая. По мнению датских ученых, есть все шансы, что в ближайшие 20 лет весь мир достигнет производства 10 % электричества за счет ветра. В последующем же оно, вполне вероятно, опередит гидроэлектроэнергию, составляющую сейчас 23% мирового электропроизводства.

Недооценка Россией роли ВИЭ в энергетике будущего приводит к отставанию страны в развитии сетевой и автономной ветроэнергетики. Россия, Польша, Украина, Чехия в 2000 г. замыкают список 37 стран, использующих ветровую энергию, имея нулевые показатели ввода новых мощностей ВЭС [23].

Солнечные лучи

Солнце является самым изобильным и неистощимым из всех источников энергии, хотя в практическом смысле выработка за его счет электроэнергии и зависит от погодных условий, а также от цикла день — ночь. В плане экономического освоения солнечная энергия отстает от энергии ветра приблизительно на 10 лет. Наиболее эффективными и коммерчески успешными на сегодняшний день являются устройства для получения от солнечных лучей непосредственно тепловой энергии: солнечные водонагреватели, устройства для отопления квартир, солнечные печи.

Был испробован и ряд способов получения от солнца электроэнергии. Самый из них пока экономичный — тепловые солнечные электростанции башенного типа, в которых ряд зеркал-гелиостатов отражают солнечные лучи в приемник, установленный на верху башни. В приемнике солнечные лучи греют воду, а полученный пар направляется в обычную паровую турбину. Однако технические особенности, требующие для функционирования таких станций прямого солнечного света, ограничивают их распространение засушливыми регионами. В калифорнийских пустынях зеркалами занято 750 га, и вырабатывается электричества более 350 мВт. Существуют также электростанции такого типа в Израиле.

Однако гораздо больший интерес вызывают фотоэлектрические установки (ФЭУ), непосредственно преобразующие солнечную радиацию в электроэнергию. Изготавливают солнечные элементы в основном из кристаллического кремния (75%), аморфного кремния (20%), и других тонкопленочных структур (5%). В серийном производстве достигнут КПД монокристаллических солнечных элементов — 12-18%, а у лабораторных образцов — 24%. Получены солнечные элементы на основе арсенида галлия с КПД 32,6%. Теоретически доказано, что предельный КПД солнечных элементов может составлять до 85,44% [22]. Сегодня уже, например, ведутся работы по созданию фотоэлементов на основе сплавов, включающего индий, галлий и азот. Индий-галиево-нитридные фотоэлементы будут чувствительны к излучению всего солнечного спектра — от близкого к инфракрасному и вплоть до ультрафиолета, что позволит перешагнуть 50%-ый барьер эффективности [24].

Одним из их основных преимуществ ФЭУ является максимально модульная организация: не представляет сложности объединить любое их количество. Поэтому чаще всего ими выстилают крыши домов, как жилых, так и принадлежащих организациям. Как правило, образуются системы мощностью 2-5 кВт, достаточные, чтобы обеспечить живущим в доме примерно половину необходимого электричества; остальное приходится получать от сети. Стоимость вырабатываемой ими энергии пока в несколько раз выше (ограничивает именно стоимость чистого кремния, который сейчас получают по старой, неэффективной и опасной хлорсилановой технологии), но фотоэлементы продолжают совершенствоваться и удешевляться.

Ряд правительств финансирует программы, предоставляющие поддержку людям и организациям, которые заинтересуются ФЭУ. Самая успешная из этих программ — в Японии, где фотоэлементами покрыто уже свыше 25 000 жилых домов. Японские производители солнечной энергии имеют возможность поставлять ее в сети распределения по той цене, в которую она им обошлась (несмотря на то, что эта цена выше цены электроэнергии, получаемой традиционными способами).

Начало 21 века ознаменовалось всплеском в развитии солнечной (как и ветровой) энергетики. Сегодня в странах мира ежегодно вводятся в эксплуатацию более 100 МВт солнечных ФЭУ. Так, например, в США общая мощность солнечных электростанций составляет в настоящее время уже более 400 МВт, а к 2010 г., по прогнозам американских специалистов, она будет составлять 11 500 МВт [22].

Вода и жар недр

Все гидроэлектростанции используют возобновляемые ресурсы, но крупные ГЭС вызывают ряд обоснованных претензий, так как их плотины и водохранилища сильно нарушают гидрологический режим обширных территорий, разрушая места обитания множества видов живых существ, препятствуя прохождению нерестовых рыб, не говоря уже о вынужденных переселениях людей. С экономической точки зрения можно заметить, что такие ГЭС очень дороги, долго строятся и еще дольше окупаются, что число подходящих мест для их постройки очень ограничено и, как и все крупные электростанции, они требуют обширных сетей передачи и распространения энергии. Поэтому не приходится ожидать, чтобы доля больших ГЭС в мировом производстве электричества заметно возросла по сравнению с сегодняшней приблизительно одной пятой [2]. Поэтому все больше внимания сейчас обращается на малые ГЭС, к каковым относят ГЭС мощностью до 30 мВт с диаметром рабочего колеса турбины до 3 м. Удобных участков для размещения таких гидростанций намного больше (они есть практически повсюду), они не требуют постройки плотин и поэтому гораздо более щадящи по отношению к окружающей среде, они обслуживают местных потребителей, а срок окупаемости мини- и микроГЭС не превышает трех лет.

Упомянем здесь же и еще один источник энергии, использование которого имеет за плечами длительную традицию и хорошо разработано — энергию все той же воды, но уже разогретую подземным теплом (геотермальную). Для производства электричества геотермальные воды впервые были применены в Италии, в 1904 г. геотермальные источники распределены по миру весьма неравномерно, поэтому не смогут стать широко используемым источником энергии, однако там, где они есть, их использование очень удобно. Воды, нагретые теплом Земли, дают 28% энергии в Никарагуа, 26% на Филиппинах и практически всю энергию в Исландии. Велики запасы геотермальной энергии в России на Камчатке и в долине Гейзеров в Калифорнии (США). Япония имела в 1996 г. геотермальных электростанций общей мощностью на 27 МВт, в то время как общий ее потенциал в этом отношении оценивается в более 69 000 МВт — вдвое больше, чем она имела тогда же мощности АЭС.

При неправильном обращении геотермальные резервы могут иссякать, однако по всему миру их запасы достаточно велики, чтобы считать этот ресурс возобновимым. К сожалению, стоимость их использования все еще велика, так что используются лишь наиболее концентрированные ресурсы, зато геотермальные станции дают энергию постоянно, независимо от времени суток.

Сегодня в мире действуют геотермальные электростанции общей мощностью более 6 000 МВт, в том числе: в США — 2 700 МВт, на Филиппинах — 900 МВт, в Мексике — 600 МВт, в Македонии — 220 МВт, в Германии — 20 МВт, в России — 20 МВт. Планируются к сооружению ГеоТЭС ещё на мощность 11 500 МВт. В геотермальных системах теплоснабжения суммарная мощность составляет 11 000 МВт [21].

Водород — чистое топливо будущего

Еще одно чрезвычайно перспективное направление развития, относимое к малой энергетике, представляет собой технология так называемых водородных топливных элементов (fuel cells). Это электрохимические устройства, позволяющие подаваемому в них водороду, который используется как топливо, соединяться с атмосферным кислородом без горения, с образованием воды и электричества. Каких-либо вредных веществ при работе топливного элемента не образуется.

Впервые топливные элементы были применены еще в 1960-е гг.; как и многие другие передовые технологии, они были разработаны изначально для применения в космической технике. Более широкое их распространение сдерживалось высокой стоимостью первых моделей, однако в последние десятилетия конструкция топливных элементов быстро совершенствуется и стоимость их производства снизилась уже настолько, что первые образцы основанной на них продукции уже выходят на коммерческий рынок. Поскольку на сегодняшний день самым дешевым способом производства водорода является получение его из природного газа, часть этих коммерческих образцов относится к смешанному типу и работает на природном газе, который вначале преобразуется в водород и потом уже в электричество. Такие аппараты кроме воды выделяют при работе и углекислый газ, однако в меньшем количестве, чем если бы тот же природный газ сжигался.

Нам уже приходилось рассказывать об использовании этих устройств в автомобилестроении (см. Волна. 1999. № 3-4 (20-21). С. 17. — Прим. ред.), однако транспорт — далеко не единственная область, где они могут найти применение. Так, например, американская компания «Баллард пауэр системз», один из ведущих разработчиков топливных элементов на промышленной основе, помимо сотрудничества с концернами «Даймлер-Крайслер» и «Форд» в сфере создания коммерческого водородотопливного транспорта, производит также несколько типов стационарных электрогенераторов на топливных элементах разной мощности и предназначения. Одни из них предназначены для домашнего использования и способны давать электричество, тепло и нагревать воду. Для японского рынка разработан подобный аппарат мощностью в 1 кВт, способный работать в подключении к местной энергосети, чтобы можно было получать по ней дополнительную энергию, когда мощности генератора окажется недостаточно. Он относится к переходному типу, так как работает не на чистом водороде, а на природном газе.

Другие, более мощные генераторы могут иметь коммерческое или промышленное применение. В настоящее время «Баллард пауэр системз» проводит полевые испытания генератора мощностью 250 кВт, также производящего не только электричество, но и тепло. Программа испытаний должна завершиться в 2003 г [13]. Еще одна фирма, занимающаяся разработкой топливных элементов, ONSI, уже приступила к коммерческому использованию генераторов мощностью 200 кВт, имеющих приблизительно размеры микроавтобуса и устанавливаемых, как правило, в уединенно расположенных отелях или больницах, где кабельное электроснабжение дорого и особо важна бесперебойность подачи энергии. Один из них, расположенный в городе Гротон, штат Коннектикут, приспособлен для работы на метане, выделяющемся из мусорного захоронения — таким образом утилизируется взрывоопасный свалочный газ и вырабатывается электроэнергия. Генераторы фирмы ONSI рассчитаны на 20 лет функционирования и работают 95% времени, что превышает показатели дизельных генераторов.

Достижения технологии топливных элементов на конец 2002 г. выглядят еще более внушительно. (Обилие информации можно обнаружить, например, на страничке веб-портала «Report.ru — сообщество экспертов», посвящённой исключительно топливным элементам http://fuelcell.report.ru/. — Прим. ред.) Почему же этой сфере энергетики уделяют такое внимание? Предполагается, что в обозримом будущем именно эта технология (точнее, группа технологий) ляжет в основу энергетической экономики нового типа — «водородной экономики», называемой так по основному виду энергоносителя, в отличие от современной экономики, использующей в качестве основного энергоносителя жидкие, твердые и газообразные углеводороды и именуемой поэтому «углеродной».

Достоинствами водородного энергоносителя являются экологичность при использовании, длительность срока хранения, широкие пределы воспламеняемости, самая высокая скорость сгорания и высокая удельная теплота сгорания (в четыре раза больше, чем бензина).

Сегодня водород добывается пока преимущественно из природного газа, а производство чаще всего идет с использованием традиционных ископаемых топлив. Однако огромные запасы водорода в водах Мирового океана и быстрое развитие альтернативной энергетики подталкивают к поискам эффективной и «чистой» технологии получения водорода путем электролиза воды. Этот способ более дорогостоящ, зато совершенно не дает углекислого газа — при электролитическом разложении воды образуются лишь водород и кислород. Для транспортировки водорода можно использовать после некоторой модернизации уже имеющуюся инфраструктуру по транспортировке и распределению природного газа. Вероятен переход на водородное питание значительной или даже большей части транспорта.

Существующие зачатки водородной энергетики быстро развиваются, так как эта перспективная и высокотехнологичная отрасль привлекает большое внимание инвесторов. В настоящее время масштабные эксперименты по построению водородной энергетической экономики осуществляются в США, Японии, Исландии. Запланирован полный переход двух последних стран на водородное топливо и отказ от углеводородов. В Японии для производства водорода планируется строительство мощной ветроэлектростанции на большой плавучей платформе в открытом море. Уже в 2003 г. начнется освоение технологии производства водорода из морской воды при помощи энергии ветра в промышленных масштабах [20].

Исландия же — практически идеальное место для проведения такого эксперимента, не только потому что это островное государство с достаточно изолированной энергетической инфраструктурой, но и потому что она чрезвычайно богата источниками геотермальной энергии, позволяющими стране в изобилии иметь дешевое электричество, необходимое для производства значительных количеств водорода электролизом. Проект достаточно долгосрочный: планируется, что полный переход займет от 30 до 40 лет. Исландскому правительству в осуществлении этих масштабных замыслов помогает ряд межнациональных корпораций, в том числе и одна из величайших в мире нефтяных компаний «Шелл». Это свидетельствует о том, что плановики и менеджеры «Шелл» сознают, что нефть — ресурс не бесконечный, и готовятся заранее к переходу в будущем корпорации на новые перспективные виды деятельности.

И «Шелл» — не единственная в этом отношении: отделы, занимающиеся топливными элементами, возникли уже и в «Бритиш Петролеум», и в «Эксон Мобил», а «Тексако» делает крупные капиталовложения в технологию хранения водорода [13]. Многие развитые страны осуществляют государственные водородные проекты: так, в Германии построены уже первые водородные заправочные станции. Эта же страна лидирует в производстве водорода электролизом с помощью энергии от возобновимых источников.

Все это ясно дает понять, что водородное будущее вполне способно «вдруг» превратиться из отдаленной фантастической перспективы в завтрашнюю реальность. И те страны, которые не смогут вовремя развить у себя водородные технологии и инфраструктуру легко могут оказаться на обочине технического и экономического развития. Скажем, в США аналитики высказывали серьезные опасения из-за того, что согласно принятой в 2001 г. федеральной энергетической политике, на водородные технологии планируется тратить не более одной десятой того, что будет направлено на развитие атомной энергетики. И вот при разработке бюджета на 2003 г. администрация Буша предложила увеличить расходы на разработку возобновляемых энергоресурсов, включая топливные элементы, до 1,3 млрд долл. Дополнительные средства на эти программы планируется выделить за счет сокращения расходов на исследования, связанные с традиционными углеводородными энергоносителями. Принят специальный закон, посвященный внедрению водородных технологий, который так и называется — «Акт о водородном будущем» (2001 г.) [17]. 20 млн долл. выделено на развитие технологий, связанных с топливными элементами, в Канаде. Большинство стран Западной Европы также не остается в стороне; например, в Великобритании ожидается, что к 2010 г. до 10 % автомобилей будут работать ан топливных элементах. Вкладывают средства в развитие топливных элементов также Китай и Индия (последняя — в совместном проекте с США) [15]. Китаю, в частности, принадлежит около 25 % всех мировых патентов в области топливных элементов. С сожалением приходится констатировать, что в России работы по топливным элементам не вышли за стены исследовательских институтов, а правительственной политики и поддержки в этой области не существует вовсе.

А что у нас?

Доля традиционной топливной энергетики в мировом энергобалансе будет непрерывно сокращаться, а на смену придет нетрадиционная — альтернативная энергетика, основанная на использовании возобновляемых источников энергии. И от того, с какими темпами это произойдет в конкретной стране, зависит не только ее экономическое благополучие, но и ее независимость, ее национальная безопасность [22].

Ситуация с возобновимыми источниками энергии в России, как и почти со всем у нас в стране, может быть названа уникальной. Запасы этих источников, поддающихся использованию уже на сегодняшнем техническом уровне, огромны. Вот одна из оценок: солнечной лучистой энергии — 2300 млрд ТУТ (тонн условного топлива); ветра — 26,7 млрд ТУТ, биомассы — 10 млрд ТУТ; тепла Земли — 40 000 млрд ТУТ; малых рек — 360 млрд ТУТ; морей и океанов — 30 млрд ТУТ. Эти источники намного превышают современный уровень энергопотребления России (1,2 млрд ТУТ в год) [7]. Однако используются из всего этого немыслимого изобилия даже не сказать что крохи — микроскопические количества.

Как и в мире в целом, в России наиболее развита среди возобновляемых видов энергетики ветроэнергетика. Еще в 1930-х гг. в нашей стране серийно выпускалось несколько видов ветроустановок мощностью 3-4 кВт, однако в 1960-е гг. их выпуск был прекращен. В последние годы СССР правительство вновь обратило внимание на эту область, однако не успело реализовать своих планов. Тем не менее, с 1980 по 2000 гг. Россией наработан большой научно-технический задел (но отставание в вопросах практического использования возобновимых источников энергии у России серьезное, о чем мы поговорим далее).

Сегодня общая мощность действующих, сооружаемых и планируемых к вводу в России ВЭУ и ВЭС составляет 200 МВт. Мощность отдельных ветроагрегатов, изготавливаемых российскими предприятиями, лежит в диапазоне от 0,04 до 1000,0 кВт [21].

В качестве примера приведем нескольких разработчиков и производителей ВЭУ и ВЭС. В Москве ООО «СКТБ «Искра» производит ветроэлектрические станции М-250 мощностью 250 Вт. В Дубне Московской области предприятие Гос.МКБ «Радуга» производит легко устанавливаемые ВЭС в 750 Вт, 1 кВт и 8 кВт; Санкт-Петербургский НИИ «Электроприбор» выпускает ВЭУ до 500 Вт.

В Киеве с 1999 г. научно-производственная группа WindElectric производит ветроэлектростанции бытового назначения WE-1000 мощностью 1 кВт. Специалистами группы разработана уникальная многолопастная, универсально-скоростная и абсолютно бесшумная турбина небольших размеров, эффективно использующая любой воздушный поток [25].

Хабаровская «Компания ЛМВ Ветроэнергетика» производит ВЭС мощностью от 0,25 до 10 кВт, последние могут объединяться в системы мощностью до 100 кВт. С 1993 г. этим предприятием разработано и произведено 640 ВЭС. Большинство установлено в Сибири, на Дальнем Востоке, Камчатке, Чукотке. Срок эксплуатации ВЭС достигает 20 лет в любых климатических зонах. Компания поставляет также солнечные батареи, которые работают совместно с ВЭС (мощность таких ветросолнечных установок составляет от 50 Вт до 100 кВт) [26].

В отношении ресурсов ветровой энергии в России наиболее перспективны такие районы, как Побережье Северного Ледовитого океана, Камчатка, Сахалин, Чукотка, Якутия, а также побережье Финского залива, Черного и Каспийского морей. Высокие среднегодовые скорости ветра, малая обеспеченность централизованными электросетями и обилие неиспользуемых в хозяйстве площадей делает эти местности практически идеальными для развития ветровой энергетики.

Похожая ситуация с солнечной энергетикой. Солнечная энергия, поступающая за неделю на территорию нашей страны, превышает энергию всех российских ресурсов нефти, угля, газа и урана. Имеются интересные отечественные разработки в этой области, но нет никакой поддержки их со стороны государства и, следовательно, нет рынка фотоэнергетики. Однако объем выпуска солнечных батарей исчисляется мегаваттами. В 2000 г. было произведено около 200 МВт. Имеется тенденция к некоторому росту. Впрочем, больший интерес к продукции различных научно-производственных объединений, выпускающих фотоэлементы, проявляют покупатели из-за рубежа, для россиян они все еще дороги; в частности, потому что сырье для производства кристаллических пленочных элементов приходится ввозить из-за рубежа (в советское время заводы по производству кремния находились в Киргизии и Украине)

Наиболее благоприятные районы для использования солнечной энергии в России — это Северный Кавказ, Ставропольский и Краснодарский края, Астраханская область, Калмыкия, Тува, Бурятия, Читинская область, Дальний Восток.

Наибольшие достижения по использованию солнечной энергии отмечены в области создания систем теплоснабжения с применением плоских солнечных коллекторов. Первое место в России во внедрении таких систем занимает Краснодарский край, где за последние годы в соответствии с действующей краевой программой энергосбережения сооружено около сотни крупных солнечных систем горячего водоснабжения и множество мелких установок индивидуального пользования [21].

Сравнительно повышенное внимание уделяется развитию геотермальных электростанций, более, видимо, привычных нашим энергетическим распорядителям и достигающих больших мощностей, а потому лучше укладывающихся в привычную концепцию энергетического гигантизма. Специалисты считают, что запасы геотермальной энергии на Камчатке и Курильских островах могут обеспечить электростанции мощностью до 1000 МВт.

Ещё в 1967 г. на Камчатке была построена Паужетская ГеоТЭС мощностью 11,5 МВт. Она была пятой ГеоТЭС в мире. В 1967 г. была введена в действие Паратунская ГеоТЭС — первая в мире с бинарным циклом Ренкина. В настоящее время строится Мутновская ГеоТЭС мощностью 200 МВт с использованием отечественного оборудования, изготовленного Калужским турбинным заводом. Этот завод приступил также к серийному выпуску модульных блоков для геотермального электро- и теплоснабжения. С использованием таких блоков Камчатка и Сахалин могут быть практически полностью обеспечены электроэнергией и теплом от геотермальных источников. Геотермальные источники с достаточно большим энергетическим потенциалом имеются в Ставропольском и Краснодарском краях. Сегодня там вклад систем геотермального теплоснабжения составляет 3 млн Гкал/год [21].

По мнению специалистов, при несметных запасах этого вида энергии не решен вопрос о рациональном, рентабельном и экологически безвредном использовании геотермальных ресурсов, что мешает наладить их индустриальное освоение. Например, добываемые геотермальные воды используются варварскими методами: неочищенную отработанную воду, содержащую ряд опасных веществ (ртуть, мышьяк, фенолы, серу и т.п.) сбрасывают в окружающие водоемы, нанося непоправимый вред природе. К тому же, все трубопроводы геотермальных систем отопления быстро выходят из строя из-за высокой минерализации геотермальных вод. Поэтому требуется коренной пересмотр технологии использования геотермальной энергии [22].

Сейчас ведущим предприятием по изготовлению геотермальных электрических станций в России является Калужский турбинный завод и АО «Наука», которые разработали и производят модульные геотермальные электростанции мощностью от 0,5 до 25 МВт. Разработана и начала реализовываться программа создания геотермального энергоснабжения Камчатки, в результате которой ежегодно будет сэкономлено около 900 тыс. ТУТ. На Кубани эксплуатируется 10 месторождений геотермальных вод. За 1999-2000 гг. уровень добычи теплоэнергетических вод в крае составил около 9 млн м3, что позволило сэкономить до 65 тыс. ТУТ.

Предприятием «Турбокон», созданным при Калужском турбинном заводе, разработана чрезвычайно перспективная технология, позволяющая получать электроэнергию из горячей воды, испаряющейся под давлением и вращающей турбину, оснащенную вместо привычных лопастей специальными воронками — так называемыми соплами Лаваля. Польза от таких установок, получивших название гидропаровых турбин, как минимум двойная. Во-первых, они позволяют полнее использовать геотермальную энергию. Обычно для получения энергии используется только геотермальный пар или растворенные в геотермальной воде горючие газы, тогда как с помощью гидропаровой турбины для получения энергии можно использовать и непосредственно горячую воду. Другой возможный вариант применения новой турбины — получение электроэнергии в городских теплосетях, из воды, возвращающейся от потребителей тепла. Сейчас тепло этой воды пропадает впустую, тогда как оно могло бы обеспечивать котельные независимым источником электричества [16].

Наконец, следует также упомянуть малые гидроэлектростанции. С ними дело обстоит относительно благополучно в плане конструкторских разработок: оборудование для малых ГЭС выпускается или готово к выпуску на многих предприятиях энергомашиностроительной промышленности, с гидротурбинами различной конструкции — осевыми, радиально-осевыми, пропеллерными, диагональными, ковшовыми. При этом стоимость оборудования, изготовленного на отечественных предприятиях, остается значительно ниже мирового уровня цен.

На Кубани ведется строительство двух малых ГЭС (МГЭС) на р. Бешенка в районе п. Красная Поляна г. Сочи и сбросе циркуляционной системы технического водоснабжения Краснодарской ТЭЦ. Запланировано строительство МГЭС на сбросе Краснодарского водохранилища мощностью 50 МВт [7].

Начата работа по восстановлению системы малых ГЭС в Ленинградской области. В 1970-е гг. там, в результате проведения кампании по укрупнению электроснабжения области, прекратили работу более 40 таких станций. Плоды недальновидной гигантомании приходится исправлять сейчас, когда необходимость в малых источниках энергии стала очевидной.

Перспективы развития отечественной энергетики на основе возобновляемых источников энергии отражены в Таблице 2. Упомянем, что нам эти прогнозы представляются излишне радужными, учитывая положение с государственной и законодательной поддержкой «малой» энергетики, о которой речь пойдет далее.

Возобновляемая энергетика в зеркале закона

Практически все виды экологически благоприятного оборудования, предназначенного для получения энергии из возобновимых источников, все еще остаются более дорогими и дольше окупаемыми, нежели оборудование для предприятий тепловой энергетики, работающей на ископаемом топливе. Поэтому огромное значение имеет государственная поддержка использования возобновимой энергии, выражающаяся в льготном налогообложении и других средствах экономического продвижения. Из мер поддержки можно перечислить следующие.

США: временное освобождение от налогов владельцев ветроэлектростанций и установок; закон, обязывающий энергоснабжающие компании производить определенную часть энергии от возобновляемых источников.

Германия: прямые инвестиции в ветроэнергетическую промышленность; поощрение производителей электроэнергии путем дополнительной выплаты за каждый кВт·час (до 30-40% от тарифа).

Возможности быстрого развития ветроэнергетики в условиях недостатка бюджетных средств демонстрирует в последние годы Индия. В 1992 г. в Индии работали ВЭС общей мощностью всего 40 МВт, а в 2000 г. страна вышла на 5-ое место в мире, обогнав Нидерланды, Италию, Великобританию. Это стало возможным за счет государственного участия в планировании развития ветроэнергетики и создании выгодных условий для вложения средств частных предпринимателей-владельцев новых ВЭС. В 1992 г. в Индии было создано Министерство нетрадиционных источников энергии, которое осуществляет планирование развития отрасли, разработку мер экономического стимулирования для привлечения инвестиций и кредитов. Для объектов ветроэнергетики введены следующие льготы: финансирование центральным правительством и правительствами штатов до 100% стоимости демонстрационных проектов ветроэлектростанций; освобождение от налогов на прибыль первые 5 лет после сооружения и полное освобождение от налогов с продажи; беспошлинный ввоз частей для производства ВЭС и запчастей к ней; гарантированные закупочные цены на электроэнергию, вырабатываемую ВЭС [23].

При такой государственной поддержке планы развитых стран (США, Великобритании, Германии и др.) предусматривают уже к 2005-му году использование альтернативной энергетики в объеме 20% от их собственных энергобалансов. В то же время в России запланирована доля альтернативных энергоустановок к этому моменту всего около 0,6% энергобаланса. Таким образом, наша страна многократно, угрожающе отстает в развитии альтернативной энергетики. Те темпы и приоритеты развития альтернативной энергетики в России, которые заложены в существующих концепциях, не могут вывести страну из надвигающегося кризиса [22].

В России никакой ясно выраженной политики в отношении развития энергетики, основанной на возобновимых источниках, не существует. В 1995 г. была разработана «новая энергетическая политика России», базирующаяся на использовании природного углеродного топлива. Необходимость масштабного развития ВИЭ в этом объемном труде не обсуждается. Вероятная доля ВИЭ в энергетике страны к 2005-2010 годам оценивается в 1%.

Состоялось два парламентских слушания на тему: «Альтернативная энергетика — залог устойчивого развития России», в 1998 г. и 1 июня 2001 г. В результате первых слушаний разработан проект закона «О государственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии», этот закон был принят в трех чтениях парламентом, но «зарублен» Президентом.

По итогам вторых слушаний участники (среди которых было много разработчиков отечественного ветрового и солнечноэнергетического оборудования, а также представители общественных организаций) выработали ряд рекомендаций к Президенту и Правительству РФ. Вот некоторые из них:

• принять меры, обязывающие крупные компании, эксплуатирующие природные ресурсы (РАО «Газпром», РАО «ЕЭС России» и т.п.), взять на себя обязательства, в том числе и финансовые, по развитию исследовательской деятельности в области альтернативной энергетики;
• разработать проект федерального закона «О нетрадиционных возобновляемых источниках энергии»;
• разработать механизм предоставления отсрочки выплаты НДС на время строительства объектов нетрадиционной энергетики и до трех лет после ввода их в эксплуатацию;
• ввести полное освобождение от НДС и таможенных сборов объектов строительства нетрадиционной энергетики, сооружаемых по кредитам отечественных банков и международных организаций.

Специалисты также высказываются в пользу других мер законодательной поддержки малой энергетики, основанной на возобновимых источниках. К этим мерам относятся: временное освобождение от налогов владельцев ветроэлектростанций и установок и ускоренная амортизация; принятие государственного закона, обязывающего энергоснабжающие компании производить определенную часть энергии от возобновляемых источников; прямое инвестирование в ветроэнергетическую промышленность; поощрение производителей энергии путем дополнительных выплат за каждый кВт•час (до 40% от тарифа) или установление правительственных дотаций на кВт•час электроэнергии, выработанной на ВЭС; гарантированные закупочные цены на электроэнергию, выработанную на ВЭС; законодательное закрепление равных прав всех производителей электроэнергии; обязательность покупки произведенной на малых электростанциях энергии централизованной энергосистемой. Нетрудно видеть, что эти меры могли бы направить развитие отечественной энергетики по тому пути, который уже просматривается в развитых промышленных странах как магистральный. Однако, увы — пока правительству, озабоченному проблемами «грязных» энергетических гигантов, судя по всему, не до проблем идущих им на смену малых собратьев.

На упомянутых выше парламентских слушаниях все до единого участники, представляющие производственные и конструкторские организации, занятые разработкой и изготовлением источников электричества, основанных на возобновимых ресурсах, жаловались на недостаточное и, прямо скажем, мизерное финансирование. А ведь широко известен факт значительной степени выработанности ресурса большинства энергопроизводящих мощностей в России; об этом, можно сказать, трубят на всех углах. Так не пора ли задуматься, на что лучше направить капиталовложения, делать которые все равно, хочешь не хочешь, придется: на реставрацию устаревшей, опасной, неэффективной, неповоротливой централизованно-монополистической энергосистемы — или на расширение современных экологически благоприятных, перспективных направлений, для которого к тому же уже существуют инженерно-технические ресурсы?

Где взять?

Тем, кто мог заинтересоваться практическими вопросами разработки и производства микроэнергетических установок, или хотел бы получить информацию относительно возможности их приобретения либо инвестирования средств в эту бурно развивающуюся отрасль, мы можем посоветовать обратиться непосредственно к источнику [7], где приведены бизнес-карты для всех основных направлений малой энергетики с указанием ведущих предприятий по России и их официальных адресов. Те же сведения могут быть найдены и в Интернете по адресу: http://archive. expert.ru/oborud/01/08-01/data/el3.htm.

Относительно зарубежных фирм того же направления, для большинства из них — со ссылками на фирменные Интернет-сайты, хорошая подборка данных имеется по адресу: http://www.worldwatch.org/pubs/paper/151l.html. Среди последних можно найти и адреса предприятий по производству и разработке водородных топливных элементов