Життя після ядерної енергетики: сонце, вітер і вода. Але без газу не обійдешся

Людство злякалося Фукушіми так само, як воно двадцять п'ять років тому злякалося катастрофи на Чорнобильській АЕС. І, так само як тоді, в світі знову починає домінувати точка зору, що атомні електростанції потрібно закрити. Виникає логічне питання - якщо не ядерна енергетика, то що?

Автор: Сергій Лук'янчук

Нинішнє невдоволення "мирним атомом" - аж ніяк не ініціатива жменьки фанатичних "зелених". У Німеччині - країні з найбільшою в Європі та четвертою в світі економікою - двісті тисяч громадян вийшли 26 березня протестувати проти продовження терміну використання АЕС. З тих же самих причин партія чинного канцлера Ангели Меркель "Християнсько-демократичний союз" програла вибори у землі Баден-Вюртемберг, де вона керувала з 1953 року. Схоже, що рішення про продовження терміну граничної експлуатації німецьких АЕС з 2022 до 2035 року, яке ще кілька місяців тому виглядало цілком умотивованим, може коштувати Меркель та ХДС влади в країні.

Структура світового виробництва електроенергії за джерелами генерації

Однак справа не тільки в політичних ігрищах. Ситуація на Фукушімі наочно показала: реактор, який під час землетрусу зовсім не постраждав і був штатно заглушений, пішов у рознос лише через те, що до систем охолодження протягом півдоби не надходив електрострум. І хоч аварійна ситуація розвивалася не миттєво, а протягом годин і навіть діб, взяти її під контроль не вдалося. Розплавлення активної зони, вибухи та руйнування реакторних приміщень, пожежі, викиди радіоактивних речовин, понад сто тисяч евакуйованих та тисячі трупів загиблих від землетрусу, які досі лежать у 20-кілометровій зоні відчуження - наочна ілюстрація того, до чого може призвести вихід з ладу однієї-єдиної, але критично важливої підсистеми АЕС.

А тепер уявімо, що під враженням подій на Фукушімі "атомні" країни світу вирішили стати без'ядерними. Не зразу, а через декілька десятиліть, коли діючі АЕС відпрацюють свій ресурс. Чи можуть вони це зробити, і якщо можуть, то яким чином?

Теоретично це можливо - в світі АЕС виробляють близько 14% відсотків усієї електроенергії. Однак ці 14 відсотків - це приблизно 2500 МІЛЬЯРДІВ кіловатт-годин. Цей обсяг енергії треба буде виробити на інших генеруючих потужностях. Яких саме? Давайте подивимося.

Вугілля - дешево і брудно

Саме завдяки вугіллю світ у 18 столітті розпочав промислову революцію. Зараз, як і тоді, енергетика найбільше використовує саме вугілля - його частка в структурі генерації становить понад 40%.

Причина цьому проста - вугілля дає змогу отримувати найдешевшу кіловатт-годину електроенергії - близько п'яти центів (при цьому вартість самого палива - приблизно один цент).

Співвідношення нововведених та виведених з експлуатації генегуючих потужностей в залежності від типу енергоносія. Синій колір - додані потужності, червоний - закриті.

Однак якщо вибирати другого за кількістю "негативу" претендента після ядерної енергетики, ним без сумніву виявляться теплові електростанції на вугіллі. Причина очевидна - вугільні ТЕЦ є рекордсменами за кількістю викидів, що забруднюють довкілля. Мова йде не лише про викиди в атмосферу - після ТЕС залишаються мільйони тонн золи та шлаків. Частково їх використовують в якості добавок при виробництві будматеріалів, але проблема ефективної й безпечної утилізації їх досі не вирішена.

Знову ж таки, саме вугільні ТЕС, яким належить найбільша частка в структурі генерації електроенергії, також несуть найбільшу відповідальність за проблему глобального потепління - бо саме вони викидають в атмосферу найбільше двоокису вуглецю.

Вугілля - не лише найбрудніше енергетичне паливо. При видобутку відкритим способом на місці вугільного родовища залишається марсіанський пейзаж

Теоретично у цієї проблеми є вихід: "передові" вугільні ТЕС із модулем утилізації СО2. Однак далі експериментів справа тут не просунулася. Причина проста - така ТЕС третину (!!!) виробленої енергії витрачає на вилучення двоокису вуглецю. Відповідно, такий енергоблок матиме на третину меншу потужність, і при цьому коштуватиме на третину дорожче. Таким чином, економічної доцільності для використання таких ТЕС нема - їх можна запровадити виключно адміністративним шляхом.

Виходячи з цього, вугільні ТЕС не можуть вважатися замінником АЕС. Це видно з наведеної вище ілюстрації - електростанції на вугіллі є рекордсменами за кількістю виведених з експлуатації потужностей, при цьому нові потужності вводяться порівняно невисокими темпами.

Газ - енергоресурс 21 століття

Українці, які протягом останніх п'яти років пережили три газові війни з Росією, і які зараз на собі відчувають всі "принади" регулярного подорожчання газу, навряд чи вважають цей вид палива ідеальним. Натомість у світі домінує цілком інший підхід - природний газ (метан) є найкращим кандидатом на заміну як вугілля, так і "мирного атома". І цьому є відразу декілька причин.

Таблиця з економічними характеристиками різних типів електростанцій. Дані - Департамент енергетики США, листопад 2010 року.

Причина перша - в останні кілька років був знайдений новий ефективний спосіб видобутку природного газу із сланців. Т.зв. сланцевий газ вже вивів США на перше місце в світі за обсягами видобутку газу, більше того, новоотриманих запасів вистачить років на дев'яносто як мінімум. На підході сланцева революція в Європі, яка також обіцяє бути не менш потужною за наслідками. Більше того, галузь із зрідження природного газу, яка активно розвивалася до "сланцевої революції", також нікуди не зникла. В результаті дії цих факторів газ, який і раніше не був у дефіциті (порівняно з нафтою), стане ще більш доступним - а отже, й дешевшим.

Друга перевага газу - це мінімум забруднення довкілля. Продукт згоряння метану - це вуглекислий газ і вода, немає ні золи, ні характерних для вугільних ТЕС шкідливих викидів у атмосферу. Так, залишається проблема двоокису вуглецю, але її можна вирішити так само, як і з електростанціями на вугіллі. І за такою ж ціною - мінус третина потужності, і на третину дорожче.

Але найважливіше - це те, що з усіх видів теплової генерації саме газові ТЕС забезпечують максимальний ККД перетворення теплової енергії в електричну при вартості кіловатту потужностей, втричі меншій за "передові" вугільні ТЕС (доллар за кіловатт потужності проти 2,8 долара). І якщо з вугілля важко "витиснути" додаткову ефективність, то прогрес газових турбін просто вражає.

Так, сучасна газова ТЕС працює по комбінованому принципу. Спочатку газ, згоряючи, обертає турбіну, а потім відпрацьовані гази ідуть на нагрівання води - утворена пара обертає парову турбіну. В сучасних турбінах на дві газові використовувалася одна парова. В суперсучасних, так званого H-класу, на кожну газову припадає по паровій - вони об'єднані в єдиний агрегат. Такі турбіни працюють при вищих температурах згоряння, як наслідок, їх ККД дозволяє сягнути вражаючих 60% (мова йде суто про енергетичний ККД, коли теплова енергія використовується лише для виробництва електричної енергії і не йде на потреби опалення).

Високоефективна газова турбіна Н-класу - шедевр хайтеку в енергетиці. Її ККД може перевищувати 60%

Звідси висновок: Україні, яка збирається брати в Росії мільярди доларів на добудову Рівненської та Хмельницької АЕС, варто було б задуматися над альтернативою у вигляді газових ТЕС нового покоління - на заміну старим і неефективним. А заодно взяти приклад із сусідньої Польщі, де процес розвідки сланцевого газу вже рік іде повним ходом. На жаль, це навряд чи реально при сучасному стані справ в енергетиці, де заправляють бойкофірташі.

Вода, сонце, вітер - нова надія

В Україні гідроенергетика традиційно (спасибі каскадові ГЕС на Дніпрі) сприймається як щось звичне, і при цьому не дуже ефектне. І в нас є причини так вважати - з часів Дніпрогесу ГЕС на наших теренах втратили свої домінуючі функції - наразі частка ГЕС та ГАЕС в структурі генерації становить приблизно 7 відсотків.

Агрегат на знімку - інноваційна енергоустановка, що працює на енергії хвиль. Вона діє за принципом поплавка - нижня частина нерухома, а верхня "стрибає" на хвилях, приводячи в дію генератор

Однак є й інші приклади - не менш вражаючі, ніж Дніпрогес сімдесят років тому. Так, найпотужніша електростанція в світі - не атомна й не теплова. Номер один за потужністю - каскад китайських ГЕС під назвою "Три ущелини". Його загальна генеруюча потужність - ВІСІМНАДЦЯТЬ ГІГАВАТТ. Це все одно що вісімнадцять ядерних реакторів ВВЕР-1000, які використовуються на українських АЕС.

Втім, подібні монстри - радше виняток, ніж правило. ГЕС не можна будувати де завгодно, більше того, в процесі будівництва доведеться змиритися із затопленням чималих територій (китайці при будівництві "Трьох ущелин" відселили 1,2 мільйони (!!!) людей. Ще один недолік, типовий для ГЕС - низький коефіцієнт використання встановлених потужностей (КВВП). Ця характеристика вимірюється у відсотках і вказує, яка частина потужностей електростанції реально використовується для генерування енергії. Якщо КВВП для АЕС і ТЕС перевищує 80%, то для ГЕС він становить близько 30%. Більше неможливо - ГЕС залежить від режиму надходження води, якої є стільки, скільки є.

Ситуація з кількістю сонячної енергії, що потрапляє на територію України, значно краща ніж у Німеччини - світового лідера із встановлення СЕС

Тож ГЕС, попри те, що є перевіреним і 100% відновлюваним джерелом генерації, на роль замінника АЕС не годиться.

Натомість вітроенергетика наразі переживає справжній ренесанс. І якщо країни Заходу дійсно вирішать "закрити" атомну енергетику і компенсувати її саме відновлюваними джерелами, то вітер тут - кандидат номер один. Принаймні на близько- та сердньотермінову перспективу.

Чому? По-перше, вітер - це дешево. Вартість кіловатт-години, згенерованої на ВЕС, становить близько трьох центів. Правда, тут треба врахувати ще низький КВВП - близько 25% (вітер, зрозуміло, дме не завжди). Але в будь-якому випадку за ціною кіловатт-години вітер може конкурувати із газом, а в перспективі - і з вугіллям.

По-друге, прибережні країни освоюють новий перспективний напрямок вітроенергетики - коли вітряки встановлені не на березі, а в морі. Така ВЕС коштує дорожче, ніж "наземна", але за рахунок того, що вітри над морем сильніші, а КВВП вищий (за 40%), такі вітроелектростанції зараз переживають справжній бум.

На графіку - т.зв. "крива досвіду", яка показує, коли саме "сонячна" кіловатт-година стане дешевша за "газову" та "вугільну".

Однак у вітроенергетики є недоліки. Найбільш суттєвий - це нерегулярність генерації. З цією проблемою зіштовхнулася Данія, де чверть генерації забезпечується за рахунок вітру. І її може спричиняти не тільки штиль, але й сильний вітер уночі, коли споживання електроенергії падає уполовину. В таких ситуаціях "надлишок" просто нікуди дівати. Вихід - створення систем накопичення електроенергії (батареї, стиснене повітря, водяні резервуари на підвищенні тощо), або інтеграція енергосистем на значному просторі - тоді "надлишкову" енергію можна перекидати туди, де вона потрібна. Крім цього, мережа вітряків потребує обслуговування і нагляду - значно більшого, ніж для "локалізованої" в певному місці ТЕС аналогічної потужності.

Структура виробництва електроенергії в Україні. Замінити 48% "атомних" відсотків

чимось іншим ми навряд чи зможемо в найближчі півстоліття

Третій напрямок - сонячна енергетика, традиційно не вважався конкурентом для будь-якої "традиційної" енергогенерації, в тому числі й АЕС. Але ситуація тут прогресує настільки швидко, що інакше, ніж фантастичними, ці темпи не назвеш. Простий приклад - в 2009 році сонячна енергетика вийшла на рекордні для себе показники - 7 гігаватт встановлених потужностей. Прогноз на 2010 рік був стриманим - ще гігаватти два-три додасться, загалом буде десять. Реальність перевершила всі сподівання - понад 18 гігаватт за один тільки рік. Наразі сонячна енергетика демонструє найбільш динамічне зростання серед усіх без винятку видів енергогенерації - як традиційних, так і відновлюваних.

І саме тут спостерігається набільш динамічне падіння ціни кіловатт-години - із 30 та більше центів до 15 центів. Ця ціна може здатися надміру високою - якщо не знати, що "сонячні кіловатти" генеруются вдень, під час пікового споживання електроенергії. Традиційно цей пік покривають "маневрові" ТЕС на газі, в яких вартість кіловатт-години приблизно така ж або й вища. І дешевшою вона не буде, а ціна сонячних панелей зменшується щоквартально. Минулого року був взятий ціновий бар'єр, який років із десять тому вважався нездоланним в принципі: собівартість виробництва кіловатта сонячних панелей стала нижчою за долар. В найближчі три роки вона впаде до 50 центів. При таких цінах "сонячний" кіловатт коштуватиме дешевше не тільки "газового", але й вугільного".

Таким чином, можна прийти до висновку: заміна АЕС існує. Її реально досягнути за рахунок поєднання "традиційного" (газові ТЕС нового покоління - базове навантаження) та відновлюваного (вітер - базове навантаження, сонце - пікове навантаження) методів генерації. І це не призведе до економічних втрат порівняно із створенням нових АЕС аналогічної потужності - дорогих, складних в експлуатації та потенційно дуже небезпечних.

Втім, є ще один потенційний напрямок розвитку енергетики - із використанням "нового атома" та т.зв. паливних елементів, які перетворюють водень чи вуглеводні на електроенергію безпосередньо хімічним шляхом. Але це - тема окремої розмови.

Сайт TEXTY.org.ua існує завдяки пожертвам наших читачів.

Фінансова підтримка кожного з вас дуже важлива для нас. Звертаємося з проханням здійснити пожертву на підтримку ТЕКСТІВ.