Пятая из цикла статей научного обозревателя информационного портала Asia Times Джонатана Тенненбаума, посвященного климатической политике новой администрации США. Начало читайте в статьях «Осторожно! Байден хочет спасти планету», «Байден открывает эру зеленого империализма», «Байден, BlackRock и проблема климатического пузыря» и «У климатического плана Байдена есть единственное — ядерное решение».

Ветровая турбина

Президент США Джо Байден сделал борьбу с глобальным потеплением главным приоритетом во всех сферах деятельности правительства и пообещал полностью избавить электроэнергетическую систему США от углекислого газа к 2035 году. Однако он не разъяснил, как именно администрация намерена достичь этой цели. Выбор технологии играет здесь ключевую роль.

Многие климатические активисты — но далеко не все — настаивают на плане, основанном исключительно на использовании так называемых возобновляемых, в первую очередь ветровых и солнечных, источников энергии без использования ядерной энергетики. Но без ядерной энергии «зеленые» усилия Байдена обречены на катастрофу.

Единственной доступной альтернативой крупномасштабной ядерной энергетике может стать расширение доли ветровой и солнечной энергетики до 80% и более в общем производстве электроэнергии. Вряд ли можно ожидать, что другие источники электроэнергии, такие как гидро-и геотермальные электростанции, а также электростанции, работающие на биомассе, покроют более 20% общего потребления электроэнергии в США.

Для поддержания столь сильной зависимости от ветровых и солнечных источников электроэнергии, которые являются нестабильными, ресурсоемкими и требующими значительных территорий, потребуется обширная инфраструктура. Создание такой инфраструктуры предполагает реконструкцию всех электросетей США и создание гигантских мощностей по хранению электроэнергии.

Если принять во внимание объем финансовых и физических ресурсов, которые необходимо будет инвестировать, становится ясно, что этот сценарий никогда не будет реализован полностью.

Вместо обещанной нирваны от 100% возобновляемых источников энергии, реконструкция сетей неизбежно закончится хаосом с резким ростом цен на электроэнергию, частыми перебоями электроснабжения, нормированием потребления электроэнергии и репрессивными мерами по сокращению потребления энергии. Многие электростанции, скорее всего, по-прежнему будут сжигать ископаемое топливо, поскольку страна не сможет без них обойтись.

Ещё задолго до этого мощная политическая реакция, вероятно, привела бы к потере власти Демократической партией вместе с теми, кто был так или иначе связан с этим планом. Так что же такого проблемного в сценарии «100% возобновляемых источников энергии»?

Во-первых, мощность ветряных турбин и солнечных батарей может колебаться в широком диапазоне в течение нескольких минут в зависимости от погодных условий. Мощность солнечных батарей также меняется в зависимости от облачности и времени дня, ночью она равна нулю.

Из-за беспорядочных колебаний силы ветра средняя мощность наземной ветряной турбины обычно составляет лишь около трети её максимальной номинальной мощности (для морской турбины этот показатель достигает 38%). Около 2000 типовых ветряных турбин мощностью в 1,5 МВт необходимо для выработки того же количества электроэнергии, которая вырабатывается АЭС мощностью 1 ГВт. В отличие от ветряных турбин, атомные электростанции генерируют постоянный контролируемый поток электроэнергии.

Рис. 1. Общая выработка электроэнергии береговых ветряных турбин Германии (синяя кривая) в сравнении с их установленной номинальной мощностью (коричневая прямая)

Для обеспечения надежности электроснабжения, базирующегося на ветровой и солнечной энергии, необходимы резервные источники электроэнергии, которые должны включаться, когда выработка электроэнергии падает. Это стоит денег. В большинстве современных практик, пока ископаемое топливо ещё не запрещено, это делается в основном с помощью вспомогательных газовых турбин, дизель-генераторов или — при наличии АЭС — с помощью «отслеживания нагрузки», которая регулируется с помощью АЭС. Отслеживание нагрузки может применяться до тех пор, пока отношение мощности ядерной энергетики к ветровой и солнечной достаточно велико.

В противном случае единственная альтернатива — импортировать электроэнергию откуда-то ещё, когда она вам нужна, при условии, что она доступна, или накапливать часть выработанной ветряными и солнечными источниками электроэнергии и затем выдавать накопленную электроэнергию обратно в сеть, когда её выработка падает. Наиболее часто рассматриваемый вариант подобной схемы — применение электрических батарей.

Рис. 2. Потребляемая мощность (черный); генерируемая мощность без накопления энергии (красный); генерируемая мощность с накоплением энергии (зелёный); поток энергии в систему сохранения энергии (синий)

Вторая основная проблема — низкая удельная мощность ветровой и солнечной энергии. Кроме ураганов и торнадо, ветер — это рассеянная форма энергии, требующая больших площадей для ее «сбора». То же самое касается и солнечного света на поверхности Земли.

По сравнению с АЭС и современными электростанциями, работающими на ископаемом топливе, для ветровой и солнечной энергетики требуется в сотни раз больше отдельных единиц генерации электроэнергии, в сотни раз больше земли и в десятки раз больше стали, бетона и других материалов в расчете на создание единицы установленной мощности.

На приведенном ниже рисунке показано, что означает низкая удельная мощность: морская ветряная турбина GE Haliade X высотой 260 метров и мощностью 12 МВт по сравнению с размером атомной электростанции — в данном случае реактор усовершенствованного поколения, разрабатываемый компанией ThorCon для Индонезии.

Рис. 3. Соотношение размеров ветровой установки Heliade X мощностью 12 МВт и атомного блока ThorCon мощностью 500 МВт

Ветровая установка Heliade X компании GE имеет высоту в две трети высоты Эмпайр-стейт-билдинг, или половину высоты бывшего Всемирного торгового центра! Но при номинальной мощности в 12 МВт нам повезет получить среднюю мощность 5 МВт — сотую часть мощности «крошечной» атомной электростанции справа.

Точно такая же ситуация и с землепользованием. Майкл Шелленбергер, стойкий защитник окружающей среды, который стал убежденным сторонником ядерной энергетики, сравнил площадь земли, необходимой для получения определённого количества электроэнергии на типовых АЭС и на ветряных и солнечных электростанциях в разных странах.

Например, атомная станция в Борселле в Нидерландах занимает около 0,16 кв. км земли и производит 3,46 млрд кВт-часов электроэнергии в год, в то время как голландская офшорная ветряная электростанция Gemini занимает 68 кв. км и производит 2,6 млрд кВт-часов. Атомная станция производит в 570 раз больше энергии на единицу площади, чем ветряная электростанция, и в 370 раз больше, чем солнечный парк Sunport Delfzijl.

В Южной Корее этот фактор был для АЭС в 625 раз выше по сравнению с ветровыми электростанциями и в 468 раз выше по сравнению с солнечными. Цифры в девяти других исследованных странах аналогичны.

Отметим также, что ветряные турбины ухудшают качество жизни людей, которым не повезло жить поблизости. По иронии судьбы иррациональная защита окружающей среды привела к беспрецедентным масштабам разрушения природного ландшафта.

Это дало новое значение термину «обратная отдача». В Германии сопротивление местного населения остановило распространение ветроэнергетики. Не пользуются популярностью и большие солнечные парки.

Ветряные турбины в южной Калифорнии. Фото: Викимедиа

Нет никаких сомнений в том, что ветряные и солнечные источники энергии являются зрелыми технологиями, которые играют важную роль в качестве дополнительных источников в электроэнергетике при определенных условиях. Но что касается экономики крупномасштабной генерации электроэнергии, то лобби ветровой и солнечной энергетики, которое сегодня намного превосходит когда-то могучее ядерное лобби, сделало все возможное, чтобы создать неадекватные представления у населения.

Так, нам постоянно говорят, что стоимость электричества, полученного от ветровых и солнечных источников энергии, резко упала, и что они уже якобы являются самыми дешевыми источниками энергии.

Здравый смысл и цены на электроэнергию в Калифорнии, Германии и Дании, которые очень сильно повлияли на возобновляемые источники энергии, говорят нам совсем о другом, как и многие независимые исследования (см., например, подробное исследование Гордона Хьюза из Эдинбургского университета «Экономика ветроэнергетики — риторика и реальность»).

Реальные затраты ветровой и солнечной энергетики маскируются льготными ценами на электроэнергию, которые содержат кредиты для возобновляемых источников энергии, льготные налоговые кредиты, скидки для «зеленых» облигаций, ускоренную амортизацию, льготы по налогу на имущество и пр.

Конкурирующие с ними источники ископаемого топлива «наказываются» введением налогов на выбросы углерода и предпочтением возобновляемых источников энергии при покупке электроэнергии поставщиками электроэнергии (см. главу 3 прекрасной книги «Электрификация нашего мира» соучредителя компании ThorCon Роберта Харгрейвса).

Реальные затраты на энергию ветра и солнца также включают в себя инвестиции, необходимые для их интеграции в национальную энергосистему, которая должна надежно удовлетворять спрос. Сценарий использования 100% возобновляемых источников энергии означает реконструкцию электрической системы, которая была разработана для источников энергии, работающих на основе стабильного ископаемого топлива, а затем и ядерных источников энергии.

Рис. 5. Поле солнечных батарей в Девоне, Великобритания

Во время конференции Windpower 2019 Дэн Шрив, руководитель отдела глобального анализа Wood Mackenzie Power and Renewables, заявил, что для перехода к 100% возобновляемой энергетике потребуется удвоение длины высоковольтных линий электропередач США.

Это означает строительство более 320 000 километров новых линий электропередач. Кроме того, США потребуются огромные дополнительные емкости для хранения электроэнергии. Сколько электричества нужно хранить в батареях и других системах хранения, чтобы свет не погас, когда стемнеет или стихнет ветер?

Это сложный вопрос, но стоит привести несколько грубых оценок.

Виллем Пост, бывший инженер, часто писавший по вопросам энергетики, обращается к этому вопросу: «Согласно метеорологическим данным, в США многодневные ветровые затишья и перерывы инсоляции покрывают не менее 25% территории суши. Они происходят случайным образом в течение года. При этом уровень выработки солнечной и ветровой электроэнергии снижается до 15% от нормы для этого времени года».

Подсчитав дефицит электроэнергии, который необходимо будет компенсировать системами хранения во время такого однодневного затишья, он получил 67 млрд киловатт-часов.

Для сравнения: аккумулятор электромобиля Tesla Model S может хранить около 85 киловатт-часов. Таким образом, для покрытия такого однодневного дефицита потребуется 788 млн полностью заряженных аккумуляторов Tesla S.

Рис. 6. Аккумулятор Tesla Model S — длинный, тонкий и плоский — занимает основание шасси

Основатель Tesla Илон Маск пообещал, что стоимость аккумуляторов снизится до $100 за киловатт-час, что на 30% дешевле, чем сегодня. Тогда цена первого полного комплекта из 788 млн батарей составит $6,7 трлн. Будем надеяться, что их не придется менять слишком часто.

Результаты более тщательного исследования были опубликованы в прошлом году в инженерном журнале Bridge. Авторы использовали данные о почасовых объемах потребления электрической энергии и погодных условиях в семи штатах Новой Англии в США в течение 2018 года, чтобы мощность ветровой и солнечной энергетики соответствовала годовому потреблению электроэнергии. В исследовании учитывались все режимы работы всех систем снабжения и хранения электроэнергии, которые продемонстрировали сильные сезонные колебания.

Авторы пришли к оценке емкости системы хранения электроэнергии, требующейся для обеспечения надежного энергоснабжения Новой Англии при реализации сценария «100% ветряной и солнечной энергии», в 14 млрд киловатт-часов. Если мы пересчитаем эту оценку для США в целом, которые потребляют электроэнергии в 35 раз больше Новой Англии, то мы получим ужасающую величину в 490 млрд киловатт-часов.

Если предположить, что аккумуляторы будут полностью заряжены по оптимистичной цене в $100 за кВт*ч, то итоговая цена составит $49 трлн!

Фактический объем необходимой емкости хранилища, предположительно, будет намного меньше, чем предполагает эта экстраполяция. Кроме того, климат и погодные условия сильно различаются между регионами США.

Кроме того, строительство 320 000 километров новых линий электропередачи, как упоминалось выше, позволит постоянно передавать электроэнергию туда и обратно по всей стране, в зависимости от погоды и времени суток.

Но чего бы ни стоили миллионы или миллиарды батарей, сама перспектива того, что страна будет строить всю свою энергетическую безопасность на непостоянных, зависящих от погоды и климата источниках энергии, должна напугать любого здравомыслящего человека.

Между тем некоторые климатические активисты, такие как Дэвид Макдермотт Хьюз, придумали гораздо более дешевое и быстрое решение: отказаться от традиционной цели обеспечения надежного энергоснабжения для удовлетворения потребностей общества. Вместо этого необходимо потребовать от населения адаптации своего потребления к имеющимся предложениям.

В соответствии с этим рецептом население США должно просто согласиться с нормированием потребления и перебоями в подаче электроэнергии, которые, к сожалению, все ещё распространены в слаборазвитых странах. Это будет необходимой платой за предотвращение климатического апокалипсиса.

Внимание: постарайтесь прочесть это до того, как погаснет свет.

Продолжение следует…