Текст книги "Триумф солнечного века. Революция возобновляемых источников"

Шло время и температура повышалась, а лед постепенно таял. Спустя примерно 9000 лет, к 7000 году до н. э., растаяло 2/3 льда и закончился продолжительный ледниковый период. Пока еще не совсем ясно, какие явления привели к прогрессивному потеплению. Сначала была предпринята попытка объяснить это естественным изменением потока излучения Солнца в ходе так называемых циклов Миланковича. Земная орбита вокруг Солнца не только слегка эллиптична, но и претерпевает прецессию, обусловленную гравитационным влиянием Юпитера и Сатурна, вследствие чего наклон оси Земли колеблется между 22,1° и 24,5° в течение цикла в 41 тысячу лет. Однако поток солнечного излучения, приходящего на Землю, мало меняется из-за эволюций орбиты Земли: 10,7 тыс. лет назад наклон оси был максимальным, а в настоящее время он равен 23,44°, т. е. проявляется небольшая тенденция к охлаждению. Известны и другие циклы движения Земли вокруг Солнца. Еще со времен Платона знали, что каждые 2150 лет Земля проходит через новый знак из 12 знаков Зодиака. В настоящее время мы находимся в знаке Водолея.

Считается, что изменение климата, связанное с ледниковым периодом, было слишком экстремальным, чтобы объяснять его теми вариациями солнечного излучения и температурой, которые дает прецессия оси вращения. Поэтому вместо этих механизмов были предложены более радикальные воздействия – столкновения (импакты) с астероидами или кометами.

Например, некоторые исследователи считают, что комета, названная Гефестисом, должна была сыграть определенную роль в древних катаклизмах. Эта комета – один из 400 идентифицированных представителей семейства астероидов, во многом схожих с кометами, за эту двойственность названных кентаврами. Кентавры имеют размер от 50 до 100 км, что существенно больше, чем у большинства других комет. Гефестис, должно быть, был разрушен гравитацией при приближении к одной из внутренних планет Солнечной системы около 100 тысяч лет назад. Он разлетелся миллионами осколков, многие из которых достигли Земли. Несколько значимых импакт-событий зафиксированы ближе к концу последнего ледникового периода. Первое из них датируется 29 000 лет назад, еще одно – около 17 000 лет назад, они известны по следам, оставшимся во льдах Антарктиды. В 1972 году съемка со спутника «Landsat» заставила предположить, что круглое озеро Sithylemenkat lake в центральной Аляске, расположенное во впадине диаметром 12,4 км, имеет метеоритное происхождение с возрастом более 12 тысяч лет. Это положило начало исследованию нового импакт-события – воздушного взрыва кометы диаметром около 100 км над Аляской и Сибирью, произошедшего в верхнем дриасе – так называемый YDB-impact (Younger Dryas boundary cosmic-impact). В Австрийских Альпах (Кефельс) около 8500 лет назад произошел гигантский оползень, предположительно вызванный ударом метеорита примерно 250 м в диаметре. Это событие тоже могло стать прототипом мифов о «рухнувших небесах».

Египетская Книга мертвых, написанная около 6000 лет назад, сообщает о целой череде космических катастроф. Может быть, плодородная до того Сахара стала жертвой одного из космических импактов, спровоцировавшего локальное изменение климата около 7000 лет назад? Более трех тысяч лет назад египтяне описали комету, которая летела от Индии до Северного моря в виде огненного шара, после чего последовали землетрясение и цунами. Описанные в египетской истории события – начиная с «нашествия народов моря», связанным с катастрофой бронзового века (XIII в. до н. э.), а также ветхозаветная притча о десяти казнях (бедствиях) Египта, вполне могли иметь под собой реальную основу и быть историческим свидетельством последствий крупных импактов. Об этом же, возможно, повествуют сохранившиеся китайские легенды про дракона Конг-Конга, который разрушил один из столпов неба с драматическими последствиями. Они отсылают нас к последствиям астрономических событий, произошедших 4350 лет назад.[1]1
  Недавно была высказана версия об астероиде, который вращался в атмосфере Земли около 7 тыс. лет назад, о чем в древних китайских летописях упоминается как о времени десяти солнц. Падение такого астероида на Землю могло дать импульс движению континентов и породить множество последствий, включая «потоп». – Прим. ред.


[Закрыть]

Результатом «большого таяния» после оледенения стали апокалиптические потоки воды и продолжавшиеся несколько тысяч лет проливные дожди и гигантские волны цунами. Считается, что большинство наших предков тогда погибло – вместе с миллионами видов животных. Уровень моря поднялся на 130 м. Для сравнения: то изменение климата, которое стало следствием современной индустриализации, привело к изменению уровня моря всего на несколько сантиметров. Подъем более чем на 100 м привел к перемещению береговых линий вглубь континентов. Англия снова стала островом, а наземный мост между Аляской и Сибирью ушел под воду. Средиземноморский бассейн наполнился и воссоединился с Атлантическим океаном. Океанские рыбы были вынуждены адаптироваться к пресной воде, разлившейся по поверхности океана после таяния льдов.

Большой потоп сохранился в памяти наших предков. Впервые упоминание о нем находят в древнейших шумерских текстах. В Библии также есть легенда, связанная с Великим потопом, в которой Ной выступает спасителем биоразнообразия.

Еще одна ветхозаветная легенда – история рая, существовавшего «в начале всех времен». В последнее время исследователи предполагают, что нашли его. Считается, что он должен быть там, где в настоящее время целый флот танкеров загружает большую часть мировой нефти – в Персидском заливе. Сегодня глубина залива достигает 90 м, но среднее значение – 50 м. В ледниковый период, до «потопа», это была территория с тремя реками, обеспечивающими пресную воду. Предполагается, что здесь у человека была легкая жизнь, и местный климат позволял обеспечить пищу и комфортную жизнь без особых усилий.

Но дело в том, что близлежащая Сахара, расположенная на той же широте, прежде чем стать безжизненной пустыней, была заселена к концу ледникового периода различными кочевыми племенами и крупными животными, такими как слоны и львы. Частью Сахары был и Египет. Предполагается, что важные предшественники египетской цивилизации появилась в тех краях еще до эпохи фараонов, когда климат не был еще столь засушлив. Многочисленные споры не обходят вниманием и загадку сфинкса в Гизе. Известно, что он был построен как лев, но затем его голова была превращена в голову фараона. Голова непропорциональна по размеру, что свидетельствует об изменении первоначального замысла. Все тело льва покрывают следы потоков воды – намек на то, что он был построен, возможно, 7000 лет назад, перед большим потопом.

Предположения, что рай был затоплен позже, чтобы стать Персидским заливом, получают дополнительную поддержку тем фактом, что первая в мире цивилизация началась чуть-чуть севернее – в Месопотамии (современный Ирак). Поселения людей там можно проследить до 7000 лет назад – таких городов древности, как Ниневия или Урук. Это было уже после того, как наводнение закончилось. Шумеры, первые, кто жил там, основали первые постоянные поселения, построили первые города и королевства, организовали сельское хозяйство, ирригацию, земледелие, администрацию и установили верховенство закона. Шумеры были первыми в изобретении колеса, керамики и письменности – за 200 лет до того, как древние египтяне начали писать. Шумеры первыми разделили круг на 360 градусов и оставили нам систему измерения углов, используемую и сегодня. Видимо, они изобрели и «капитализм», так как впервые в истории у шумеров можно было обладать личным богатством. Для библейского «творения» они придумали неделю, состоящую из семи дней. Несколько позже вавилоняне, также в Месопотамии, составили год из 12 месяцев, каждый из которых наступает через 30 дней, по 24 часа каждый. Они делили час на 60 минут, а тот – на 60 секунд, и до сего дня система измерения времени (и углов) не стала десятичной.

Сказание о Гильгамеше, герое шумерского города Урука, стало началом мировой литературы.

Человечеству сегодня угрожают три основные опасности: метеориты, изменение климата и атомная война. Два последних мы обсудим позже, а чтобы завершить разговор об астероидах и метеоритах, мы должны под конец упомянуть о Тутатисе (Toutatis) – астероиде, названным так в честь галло-кельтского бога. Он является частью семейства под названием «Аполлон», которое содержит более 8000 астероидов размером около 10 км². Все они регулярно пересекают орбиту Земли. Тутатис подходит к Земле каждые 4 года, самый близкий его подход был в 2004 году, когда он пролетал от нас на расстоянии всего лишь в 4 раза большем, чем от Земли до Луны. Его размер впечатляет – это 4,6×2,4 км. Это не намного меньше того камня диаметром 10 км, удар которого, по-видимому, привел к вымиранию динозавров 65 миллионов лет назад. Мы хорошо знакомы с Тутатисом, так как китайский космический зонд сумел пролететь над ним и фотографировать его.

А еще есть Флоренc – астероид диаметром 4,4 км, даже немного больший, чем Тутатис, лишь немного разминувшийся с Землей совсем недавно – 1 сентября 2017 года, когда он прошел в 0,04723 а. е. (7,0845 млн км) от центра Земли.

Глава 2
Энергия для жизни

Для нас само собой разумеется, что энергия имеет фундаментальное значение для человеческого существования. Представить себе, что все энергоснабжение внезапно исчезло, равносильно тому, чтобы поставить всю нашу жизнь «на паузу». Энергия необходима нашей экономике для отопления и охлаждения, для приведения в движение транспорта и подачи в дома электричества, энергия делает прекрасной нашу жизнь и окружающую среду. Даже в сельском хозяйстве, которое, по большому счету, механизировано, отключение энергии имело бы драматические последствия само по себе, не говоря уже об эффекте, который окажет снижение поставок продовольствия.

Общие затраты на получение энергии в мире достигают 1800 млрд долл. в год, что составляет 2,4 % мирового ВВП, а мировая энергетика создает сотни миллионов рабочих мест. При этом загрязняется атмосфера и изменяется климат, что ведет к росту неустойчивости в потреблении энергии. Порожденный индустриализацией и обгоняющий экспоненту рост народонаселения в мире придает сегодня мировому производству и потреблению энергии гигантские размеры.

Обращаясь к тому, какие виды энергии существуют сегодня, следует сделать основной акцент на электричестве, поскольку оно наиболее сложно в потреблении и не менее сложно в производстве. Используется электричество большей частью в промышленных электродвигателях, для роботизации и автоматизации индустриальных процессов, а также в производственных системах контроля качества. Электричество сегодня не только полностью обеспечивает наши потребности в освещении, но и создает саму возможность существования столь бурно растущего сегмента спроса, как информатика и бытовая электроника.

Стоит обратить внимание на присущее энергетике неотъемлемое право на инвестиции, обусловленное ее мега-важной ролью в нашем существовании. Ведущую роль в реализации этого права играет политика, что создает порой почву для появления оторванных от реальности и принципиально ошибочных проектов, в которых сотни миллиардов долларов оказывались потраченными впустую. Ярким примером этого служит провал программ создания ядерной энергетики во всем мире, которые были одобрены чрезмерно оптимистичными политиками, запустившими на политическом уровне крупные правительственные программы с финансированием из государственного бюджета. Примером из той же серии является слепое предпочтение раз за разом энергии угля, без учета возможных альтернатив.

Каковы в конце концов критерии «хорошей энергии»?

Постоянными составляющими для выбора тех или иных вариантов инвестиций в национальном или региональном масштабе, должны служить такие показатели, как:

• устойчивость поставок, включая риски и расходы ради обеспечения безопасности;

• совместимость с природной средой региона и вклад в мировое изменение климата;

• оптимальная цена производства и тарифов пользования, рентабельность инвестиций;

• демонополизация рынка поставок, вклад инвестиций в региональное развитие и местный бюджет, социальный комфорт создаваемых рабочих мест и уровень жизни, доля ручного труда и уровень индустриализации;

• сохранение мира и международное сотрудничество.

Ставка в этом выборе велика – это триллионы долларов инвестиций и столь значимые направления усилий, как борьба с неоправданным разрастанием мегаполисов, охрана ценностей и интересов сельского населения, борьба с постоянно растущим разрывом между богатыми и бедными, поддержка развивающихся стран и борьба с бедностью в их сельских районах, борьба с этническими и гражданскими конфликтами и войнами, нищетой беженцев и мигрантов. Именно в решении этих задач разумная энергетическая политика может помочь найти правильные решения, как бы ни амбициозно звучало это заявление.

Солнечную энергию и порождаемые Солнцем возможности генерации в био– и гидроэнергетике, а также энергию ветра, в целом будем характеризовать термином «хорошая энергия». Однако между ними есть важные различия, которые заслуживают того, чтобы к ним более пристально приглядеться.

Во-первых, все эти виды энергии свободны от прямого выброса углерода в виде парниковых газов. Поэтому они получают огромную поддержку в рамках политических дискуссий об изменении климата. Прошедшая в 2015 году в Париже 21-я конференция в рамках СОР 21 (Рамочная конвенция ООН об изменении климата) приняла решение об ограничении выбросов парниковых газов для сохранения климата. Но будьте осторожны: к энергиям с низким или нулевым углеродом часто присоединяют «безбилетника» – атомную энергию. На упомянутой большой политической конференции можно было заметить, что все ядерные лоббисты исправно несли свою вахту, чтобы иметь возможность протащить «безбилетника» и поддержать новые возможности, которые, как они себе вообразили и пытались заставить вообразить других, представились «безуглеродной» атомной энергетике в свете проблемы изменения климата.

Давайте внесем ясность. Сегодня климат не может быть защищен энергиями, традиционно считающимися безуглеродными. Позиция автора состоит в том, что климат может быть сохранен только с помощью возобновляемой энергии (позже мы вернемся к тому, почему она не может быть ядерной).

Особой проблемой в обсуждениях является непостоянство выработки энергии возобновляемыми источниками. Вопрос закономерный, ведь как поток солнечных лучей, так и поток ветра обладают естественным свойством время от времени прерываться – поэтому для фотоэлектрических и ветровых преобразователей эта проблема несомненно существует, поскольку наиболее фундаментальным вопросом энергоснабжения является его доступность в любое время дня и в любой сезон года. Однако тепловые или электрические устройства накопления и хранения энергии почти всегда могут помочь преодолеть этот недостаток, во всяком случае, в краткосрочной перспективе. А в долгосрочной – прогнозы погоды становятся все более надежными, «урожаи» энергии Солнца и ветра становятся все более предсказуемыми, поэтому включение инструментов планирования позволяет обеспечить необходимый объем рыночных поставок. Если дело касается основных сфер применения энергии, то комбинации различных видов возобновляемой энергии Солнца позволяют найти наиболее целостное решение – как правило, они удачно дополняют друг друга.

Но по большому счету прерывность лежит в основе получения любого вида энергии, т. е. возобновляемые источники – отнюдь не исключение. Проявляется это даже в самых стандартных вопросах эксплуатации и обслуживания оборудования (Operations & Maintenance, O&M). Возьмем, например, данные, представленные Всемирным энергетическим советом (World Energy Council, WEC) за 2016 год. Среднее годовое время работы для станций на биотопливе составляло 4500 часов, для гидростанций – 3700 часов, для ветровой электроэнергии – 2000 часов, для солнечных фотоэлементов – 1170 часов. Однако полное время эксплуатации тепловых (на угле) и атомных станций далеко не непрерывно, для них характерен показатель на уровне 4000 часов, т. е. менее полугода непрерывной работы (год = 365 дней = 8760 часов).

В солнечной энергетике есть важная градация, между фотоэлектрической генерацией (Photo Voltaic, PV), которую мы рассмотрим ниже в деталях, и механизмом концентрации солнечной энергии, так называемыми тепловыми солнечными электростанциями (CSP). Последние используют концентрацию лучей Солнца с помощью вогнутых зеркал, чтобы получить тепло, которое затем преобразуется в электроэнергию. По сравнению с фотоэлектрическим преобразованием этот механизм генерации имеет целый ряд недостатков. Во-первых, тепловой механизм генерации работает только в крупных энергоблоках – поэтому здесь этот механизм примыкает к традиционной энергетике и ее «консервативному» лобби, так как они предпочитают крупную генерацию. Однако при сопоставлении PV и CSP солнечные фотоэлементы являются сегодня победителями, имея «за спиной» более чем 400 ГВт установленных мощностей на этом типе преобразователей во всем мире, и еще порядка 80 ГВт добавляется каждый год. В то время как генерация на базе CSP суммарно достигла всего 4,7 ГВт, но главное, что новых мощностей нет даже в проекте.

Для концентраторов необходимы прямые солнечные лучи, и это является недостатком, который ограничивает использование «теплоулавливающего» механизма только в пределах «солнечных поясов» – богатых солнцем районов, часто представляющих собой безжизненную пустыню. Но главный недостаток этого направления в том, что стоимость электроэнергии, которую он производит, вдвое выше, чем у обычных фотоэлектрических преобразователей. В конце концов именно это его и «добивает», определяя рыночный провал.

Однако вплоть до сегодняшнего дня у технологии CSP есть синдикат сторонников, которых можно найти и в международном энергетическом агентстве (МЭА) в Париже. Среди них числится «Гринпис» и даже одно время «Google» записался в их ряды, хотя позже вышел из проекта CSP. Есть у них и своя ассоциация – Европейская ассоциация солнечно-теплового электричества (European Solar Thermal Electricity Association, ES TEA).

Но в, отличие от проектов PV, у которых есть тысячи производителей, а мест для инсталляции существует великое множество, производителей CSP немного, так же, впрочем, как и мест в мире, подходящих для их установки. Термальная станция «Абенгоа» в Испании была мировым лидером, которого в 2010 году хвалил даже президент Обама; это неудивительно, если учесть, что гарантия на кредит в размере 2,9 млрд долл. от правительства США была получена этим проектом именно во время его президентства. До недавнего времени технология CSP занимала 25 % рынка всех солнечных электростанций по всему миру. Но из баловня энергетической индустрии она катастрофически быстро превратилась в финансового инвалида – потеря 1,3 млрд долл. в 2015 году обесценила рыночную стоимость проектов сразу в 10 раз. Сегодня деловая активность на CSP затухает.

Исторически Испания была пионером в CSP. В период с 2010 по 2013 год было установлено 30 станций мощностью от 50 до 200 МВт каждая. К 2017 году Испания должна была установить еще 2,3 ГВт CSP, но после 2013 года дело не продвинулось вперед ни на шаг. Испанские предприятия CSP выработали в 2016 году в сумме 5 ТВт·ч электроэнергии, что соответствует удельной мощности около 2,1 кВт·ч на ватт установленной мощности в год – это близко к среднегодовым показателям фотоэлектрических установок (PV) в этой стране. Тем не менее, когда Испания в 2013 году прекратила всякую поддержку солнечной энергии, как по CSP, так и по PV-технологии, для первой это оказалось фатальным, тогда как вторая продолжила самостоятельное развитие.

Следом за Испанией в инвестирование в CSP включились Марокко, ЮАР, Абу-Даби и Раджастхан в Индии. Станции «Noor I», «Noor II» и «Noor III» в Марокко достаточно крупные, строительство последней завершено в 2017 году. Вместе они имеют установленную мощность 500 МВт, а их строительство обошлись в 2 млрд евро. Правительство продает электроэнергию по 19 центов за киловатт-час. Строительство финансировалось за счет государственных средств, немецкого KfW-банка, французского агентства развития AFD, банка ЕС – BEI и Африканского банка развития. Уже начато строительство «Noor IV», однако этот проект уже переключился на технологию PV.

Существуют три типа технологий для реализации CSP. Лидирующей разновидностью являются параболические концентраторы, применяемые на 90 % станций в мире, далее следуют башенные электростанции (солнечная печь на башне, окруженной зеркалами) и, наконец, линзы Френеля (их, в частности, планировалось использовать в несостоявшемся проекте Роснано в России).

Помимо Испании величайшими энтузиастами технологии CSP стали Соединенные Штаты. В настоящее время в США работает несколько станций по 250 МВт, имеющие суммарную мощность 1,74 ГВт. Например, вторая в мире по величине станция на технологии CSP – это проект IVANPAH в пустыне Мохаве в Калифорнии, состоящий из трех башен с суммарной установленной мощностью 390 МВт. Проект был реализован «Bright Source» и «Bechtel» и стоил 2,2 млрд долл. Строительство велось в кредит под правительственную гарантию в размере 1,6 млрд. Запуск состоялся в феврале 2014 года. Позднее агентство «Associated Press» сообщило, что станция произвела в том году только половину ожидаемого объема электричества.

Но надо сказать, что за кулисами событий именно Германия была великим промоутером технологии CSP. Группы в Национальном центре аэрокосмических, энергетических и транспортных исследований Германии (DLR-центр) и Юлихском ядерном исследовательском центре в сотрудничестве с Центром Солнца в Альмерии, Испания, давно вели исследовательскую работу по концентраторному направлению. Однако, поскольку в Германии не слишком подходящий климат для установки этого типа станций, родилась идея проекта по постройке крупнейшей в мире системы солнечных электростанций в Сахаре – «DESERTEC». Эта концепция предполагала установку крупных CSP-станций в Северной Африке с последующей передачей произведенной электроэнергии в Германию по линии постоянного тока. Несмотря на то, что это была абсолютно сумасшедшая идея со многих точек зрения, она, тем не менее, получила большую поддержку от некоторых солнечных энтузиастов в Германии. Бюджет проекта, составленный в 2009 году, был невероятным – 400 млрд евро. Для его реализации в Германии была создана компания «Solar Millennium AG», а 20 крупнейших компаний стали ее акционерами – среди них крупнейшая страховая компания «Munich Re» и такие гиганты, как «Siemens», «Deutsche Bank», «RWE» и даже… Римский клуб. Благодаря своим связям в Испании «Solar Millennium» принимала участие в строительстве многих станций CSP. Предполагалось, что одним из шедевров станет установка CSP мощностью 1 ГВт в местечке Блайт, штат Калифорния. Но в конце концов реальность перевесила: акции «Solar Millennium» потеряли порядка 80 % на фондовом рынке и компания объявила о банкротстве в 2011 году. Интересно, что официально декларированной причиной банкротства стало то, что технология PV дешевле. Впоследствии проект «Блайт» был модифицирован в сторону уменьшения мощности и перехода на технологии PV.

Вместе с «Solar Millennium» умер и проект «DESERTEC». Лично я не был опечален этим, так как вместе с Германом Шеером в Германии сражался за то, чтобы остановить эту глупость. Возобновляемые источники энергии должны работать там, где ожидаемой является поддержка экологов и зеленых, чтобы противостоять, например, строительству новых крупных гидростанций.

Но правильно ли осуждать ветросиловые установки за то, что они убивают птиц, ухудшают ландшафт и условия жизни в близлежащем поселении? Уместно ли сдвигать биомассу на обочину развития, если биоэнергия – источник номер один среди возобновляемых источников во всем мире? Многие демонизируют ее, говоря, что это источник голода или неограниченного обезлесения, поэтому в Германии биомасса не имеет равного голоса среди возобновляемых источников энергии. Мы вернемся позже ко всем этим заблуждениям.

В конце концов все, что делает солнечную энергию и все возобновляемые источники энергии победителем, – это их стоимость. Возобновляемые источники энергии являются самыми дешевыми из всех «стоящих на кону» энергий.

Забавно отметить, что эксперты уже подсчитали, сколько будет стоить перевод всего глобального энергоснабжения на возобновляемые источники энергии, вместо того чтобы придерживаться традиционных и задыхаться от их выбросов. Но на самом деле это неправильный подход. Возобновляемые источники энергии не только делают этот мир более чистым и приятным для жизни, но, что важнее, они делают энергию дешевле, а значит – доступнее.