Елена ФЕДОРОВА
Заведующая кафедрой,
РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, д. т. н., доцент
e-mail: fedorova.v@gubkin.ru
Виктория ФЕДОРОВА
Старший преподаватель, РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина
e-mail: fedorova.v@gubkin.ru
Кира ВОВКОДАВ
Бакалавр, РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина
e-mail: fedorova.v@gubkin.ru
Екатерина КАДЖАЕВА
Бакалавр, РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина
e-mail: fedorova.v@gubkin.ru
Введение
В настоящее время перед глобальным энергетическим сообществом стоят две важные задачи, на первый взгляд взаимоисключающие друг друга. С одной стороны, необходимо обеспечить растущее население и мировую экономику соответствующим количеством энергетических ресурсов. С другой стороны, ннеобходимо исполнять взятые мировым сообществом на себя обязательства по сокращению выбросов парниковых газов. Выполнение целей Парижского соглашения потребует от подписавших его стран декарбонизировать большую часть глобальной энергетической индустрии путем внедрения существенного количества возобновляемых источников энергии, сохранив при этом равновесие и устойчивость энергетических систем, а также обеспечив доступность энергоносителей, их наличие и низкую себестоимость. Мировые антропогенные выбросы углекислого газа необходимо будет снизить до нулевого уровня к 2050 г. с целью уменьшить глобальное повышение температуры до менее чем 1,5 °C от доиндустриального уровня. Мировая энергетическая система вырабатывает 2/3 от всеобщего количества выбросов углекислого газа и является ключевым звеном в решении поставленной задачи [1].
Авторы данной работы до конца не разделяют зарубежную точку зрения о степени влияния парниковых газов, выбрасываемых добывающей промышленностью в атмосферу, на изменение климата, но признают, что на нашей планете существуют регионы с повышенной чувствительностью к антропогенному воздействию, например, Арктический регион, для которых этот вопрос имеет повышенную актуальность.
Источник: theepochtimes.com
Одновременно с этим, мировая энергетическая система в настоящее время переживает четвертый энергетический переход, в основе которого лежит фундаментальная трансформация – внедрение широкого использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и вытеснение углеводородных источников энергии.
Четвертый энергетический переход и его драйверы
Термин «энергетический переход» был предложен в работе Вацлава Смила «Энергетические переходы: история, условия, перспективы» и используется для описания «изменения структуры первичного энергопотребления и постепенного перехода от существующей схемы энергообеспечения к новому состоянию энергетической системы» [2]. Как правило, новый источник энергии заменял старый, поскольку был либо эффективнее, либо дешевле, либо экологичнее. Предыдущие энергетические переходы происходили по причине возникновения новых технологий или более эффективных источников энергии. Текущий энергетический переход – сдвиг мировой энергосистемы в сторону широкомасштабного использования низкоуглеродных источников энергии и электричества – вызван, в первую очередь, политикой по декарбонизации ТЭК и борьбой с изменениями климата, которую ведут развитые государства.
Глобальные энергетические рынки находятся в постоянной трансформации в соответствии с возможностями и потребностями мирового сообщества. Текущий период трансформации характеризуется высоким уровнем неопределенности, сменой технологического уклада, а также перспективным отходом от углеводородной экономики и поисками более экологичной альтернативы.
Энергетическая политика – основное различие между текущим энергетическим переходом и предыдущими. Текущий энергетический переход в большей степени обусловлен проводимой государствами энергетической политикой, нежели более низкой ценой или более высокой эффективностью нового источника энергии. Государства использовали различные инструменты для увеличения доли ВИЭ в энергетическом балансе, невзирая на более высокую для конечного потребителя цену «чистых» источников энергии [3].
Политическая поддержка технологических инноваций – центральный элемент перехода к широкому использованию доступной по цене низкоуглеродной энергетике. При этом будет необходимо внедрять скоординированные политические меры в различных секторах энергетической индустрии, включая налоги, торговую политику, городское планирование и управление инновациями и инвестициями.
В 2021 году ежегодные глобальные инвестиции в энергетику выросли до 1,9 трлн долларов США, увеличившись почти на 10 % по сравнению с 2020 годом. Фактически, они вернулись на докризисный уровень. Однако структура сместилась в сторону электроэнергетики и секторов конечного потребления – и дистанцировалась от традиционного производства топлива. В топливно-энергетическом комплексе наблюдается политика дивестиций [4], а экологическая политика становится решающим фактором для многих инвестиций в энергетику.
По данным DivestInvest и проекта 350.org, свыше 1110 организаций с активами под управлением, превышающими $11 трлн, взяли на себя обязательства дивестировать из проектов в области ископаемого топлива. Кроме того, банки сокращают кредитование проектов по добыче угля и разработке нефтеносных песков. Эту инициативу поддерживают и страховые компании, заявляя о прекращении предоставления финансовых гарантий под угольные проекты. Такая политика дивестиций в мировой ТЭК неизбежно приведет к росту ВИЭ и снижению доли ископаемых источников энергии в глобальном энергетическом балансе.
В соответствии с Парижским соглашением по климату, помимо внедрения возобновляемых источников энергии, важной задачей остается устойчивое и эффективное снижение выбросов углекислого газа от традиционных источников энергии, известное как «декарбонизация».
Декарбонизация – необходимость снизить выбросы углекислого газа, вызванные производством и использованием энергетических ресурсов. Этот тренд привел к внедрению очень строгих экологических политик и стандартов по выбросам CO2, а также запустил крупные технологические инновации в разных секторах экономики. Энергетическая политика последние 30 лет стремится к декарбонизации энергетического сектора. И хотя она не привела к желаемым результатам в снижении выбросов углекислого газа, тем не менее, способствовала росту применения возобновляемых источников энергии. Различные способы декарбонизации можно рассмотреть на примере индустрии сжиженного природного газа (СПГ) [5–8].
В обществе идет широкая дискуссия о перспективах водородной энергетики как одного из способов декарбонизации мировой экономики [9,10].
Водород рассматривается как источник экологически чистой энергии и как способ хранения энергии для сглаживания неравномерностей выработки электричества с помощью ВИЭ.
Авторы исследований преимущественно приходят к выводу, что технологии использования водорода в качестве энергоресурса перспективны, но в настоящее время очень дороги. Воздействие водорода на конструкционные материалы, в т. ч. на трубные стали, требует дальнейшего пристального изучения.
Кроме того, предлагается совместная транспортировка природного газа и водорода по магистральным газопроводам для снижения выбросов диоксида углерода. Авторами данной статьи был проведен собственный анализ по влиянию добавок водорода на параметры транспортировки метан-водородных смесей при различном содержании водорода. Добавление водорода в поток природного газа при транспортировке оказывает негативное воздействие на технологические параметры оборудования существующей газотранспортной инфраструктуры.
Особенности использования ВИЭ
В соответствии с Парижским соглашением список источников возобновляемой энергии достаточно широк: гидро, солнечные, ветровые, приливные, геотермальные, биотопливные. По данным IEA [11], в настоящее время наиболее быстрорастущими видами ВИЭ являются солнечные и ветровые электростанции. Однако, они не обладают надежностью и не подконтрольны человеку, так как сильно зависят от погодных условий, что вызывает нерегулярность поставок энергии. Примером ненадежности ветровых электростанций может служить отказ ветровых турбин при замерзании в штате Техас в феврале 2021 г. или снижение выработки электроэнергии в Великобритании и Германии из-за снижения скорости ветра в течение длительного времени. Засуха также может оказывать влияние на регулярность поставок электроэнергии со стороны таких, казалось бы, надежных гидроэлектростанций [12].
Из приведенных примеров видно, что мировая энергетика в настоящее время не готова к полному переходу на ВИЭ. Кроме того, если учитывать оценку полного жизненного цикла ВИЭ, то вывод об их углеродной нейтральности не столь однозначен [13]. ВИЭ характеризуются нулевыми выбросами СО2 на стадии эксплуатации, поэтому являются более приемлемой альтернативой традиционным видам топлива. Однако значительные выбросы СО2 происходят на стадии энергоемкого производства материалов и оборудования для ветровой или солнечной энергетики, не говоря уже о невозможности утилизации отработанного оборудования. При прямой конкуренции ископаемых энергоресурсов и ВИЭ, полный переход на ВИЭ может привести к энергетическому коллапсу.
Основной задачей на современном этапе использования ВИЭ является повышение надежности энергоснабжения. Нерегулярность выработки энергии с их помощью может быть как в сторону избыточности, так и в сторону нехватки. В случае выработки избыточной энергии, решением данной задачи является развитие технологий хранения энергии [14]. Вопросы хранения излишков вырабатываемой с помощью ВИЭ энергии можно решить также с помощью водорода [15] или синтетического метана.
В настоящее время в Европе существуют огромные подземные газовые хранилища (ПХГ). В одной только Германии энергоёмкость газовых хранилищ эквивалентна 200 ТВт·ч, чего хватит всем потребителям электричества в стране на несколько месяцев. Электрическая подсистема сама по себе имеет ёмкость всего 0,04 ТВт·ч, то есть хранить достаточные запасы электричества в ней невозможно. Получение синтетического метана за счет излишков вырабатываемого электричества и хранение его в ПХГ является одной из технологий хранения энергии [16].
Производство «зелёного» синтетического метана позволяет достичь одновременно две цели: утилизации излишков вырабатываемого электричества и переработки уловленного диоксида углерода. Использование возобновляемой электроэнергии для производства водорода и CO₂-нейтрального метана может решить некоторые из самых сложных проблем энергетического перехода. Производство газа с помощью энергии ветра и солнца может обеспечить углеродно-нейтральное топливо для отопления и транспорта и проложить путь для крупномасштабного сезонного хранения энергии. Но пока технология Power-to-gas используется только на исследовательских и пилотных объектах. Основным недостатком данной технологии является ее высокая стоимость [17].
В случае недостатка вырабатываемой энергии с использованием ВИЭ, способом повышения надежности энергоснабжения является создание гибридных систем энергоснабжения, а именно поддержка ВИЭ с помощью наиболее экологически чистых и низкоуглеродных традиционных источников энергии [18–20].
Природный газ – ископаемое топливо, которое идеально подходит для этой задачи. Газ – лучшее из имеющихся топлив для быстрого и эффективного достижения поставленных целей по охране окружающей среды, имеющее низкий уровень выбросов CO2, при сжигании он производит в два раза меньше углекислых выбросов на киловатт/час, чем уголь или лигнит. В таблице 1 приведены данные расчета выбросов диоксида углерода от сжигания топлива.
Природный газ имеет свои преимущества, которые делают его популярным источником энергии: ни одно другое традиционное топливо не является настолько гибким, эффективным и подходящим для решения различных задач, особенно в случае наличия инфраструктуры, позволяющей дистрибуцию газа в виде СПГ, в небольших объемах и не привязанную к трубопроводам.
Согласно прогнозам на краткосрочную перспективу [5,18], в период с 2020 года и на ближайшие 15 лет спрос и, соответственно, потребление природного газа будет расти. Основными факторами роста будут являться: политика декарбонизации, так как природный газ является наиболее экологичным из ископаемых видов топлива, конечное использование в зданиях, производстве и транспорте, возникновение новых сфер использования природного газа, особенно на морском транспорте, в качестве источника «голубого» водорода, неэнергетическое использование, например, для нефтехимии.
Преимущества гибридных систем энергоснабжения
Авторами был проведен ряд исследований на примере Арктических районов Российской Федерации. Этот регион наиболее чувствителен к изменениям климата, поскольку последствия этих изменений могут быть необратимыми для всей планеты. В рамках обязательств по устойчивому развитию, взятых на себя Россией и учитывая значимость и особый статус Арктического региона, авторами предпринята попытка продемонстрировать возможности декарбонизации Арктики с применением гибридной энергетической системы. Были предложены варианты гибридных схем энергоснабжения с использованием природного газа и ВИЭ, которые приводят к снижению выбросов диоксида углерода.
В рамках предлагаемой гибридной энергетической системы для замены высокоуглеродных топлив в качестве базового источника энергии был выбран природный газ. Запасы природного газа весьма значительны в мире, следовательно, не станет острым вопрос исчерпаемости ресурса. Природный газ является самым чистым видом ископаемого топлива, что сведет к минимуму вред, наносимый окружающей среде от выбросов CO2 при сгорании, а при условии внедрения CCS/CCUS-технологий нивелирует их до минимальных значений [21].
Основной проблемой использования природного газа в условиях децентрализованного энергоснабжения долгое время было отсутствие необходимой инфраструктуры для его транспортировки – строительство газопроводов на большие расстояния при низком конечном спросе оказывалось абсолютно нерентабельно. Данную проблему можно решить за счет сжиженного природного газа (СПГ) и строительства малотоннажной инфраструктуры для его производства, транспортировки и регазификации. Малотоннажный СПГ (МТСПГ) в настоящее время является быстрорастущим сегментом в индустрии СПГ благодаря значительному коммерческому потенциалу, большей гибкости и более низким инвестиционным затратам.
При всех своих очевидных преимуществах природный газ является хоть и надежным, но все-таки ископаемым топливом, а следовательно, при его использовании будут присутствовать выбросы парниковых газов. Для уменьшения вреда, наносимого окружающей среде, предлагается объединить преимущества газа в качестве источника топлива с преимуществами возобновляемых источников энергии. Зачастую природный газ и ВИЭ рассматриваются как конкурирующие между собой (например, в секторе выработки электроэнергии). Принимая во внимание необходимость скорейшего снижения выбросов парниковых газов и недостаточный технический прогресс в области хранения энергии и вопроса прерывистости выработки электроэнергии от ВИЭ, а также учитывая экологический вопрос и потенциал внедрения возобновляемых источников энергии, в предлагаемую в данной работе модель были внесены соответствующие корректировки для создания синергии от совмещения преимуществ СПГ и ВИЭ. В данной модели источники энергии дополняют друг друга, позволяя своим достоинствам нивелировать недостатки другого вида энергии. В рамках модели были определены максимально успешные комбинации природного газа и возобновляемых источников энергии в зависимости от сектора энергетической системы, учитывая региональные особенности.
В работах [19, 20] изложены примеры синергии углеродного топлива и ВИЭ:
Синтетический газ, получаемый искусственно от избытка электроэнергии от ВИЭ, можно хранить/транспортировать благодаря существующей газовой инфраструктуре.
Истощенные газовые месторождения можно преобразовывать в термальные или хранилища энергии сжатого воздуха.
Установки по очистке сточных вод, которые используют отработанное тепло электростанций, работающих на природном газе, могут создавать экологически чистые топлива, такие как биогаз или водород для топливных элементов.
Рассмотрим варианты применения гибридных систем по секторам энергетики.
Сектор электрогенерации
В секторе электрогенерации оптимально использовать гибридные установки, где в качестве базового топлива будет использоваться природный газ, а в случае наступления оптимальных природных условий будут подключаться ВИЭ – солнечная или ветровая энергия. Например, небольшие автономные комплексы, где газовые генераторы объединены с ветровыми и солнечными установками. При этом основными источниками энергии являются именно ВИЭ, а газ автоматически включается только тогда, когда не хватает энергии солнца и ветра.
Гибридные электростанции разрабатываются для повышения эффективности и гибкости управления флуктуациями возобновляемых источников энергии и снижения риска изменения цен на топливо. Например, электростанция General Electric мощностью 530 мегаватт, строящаяся в Карамане (Турция) будет использовать газ, солнечную энергию и энергию ветра, повышая собственную эффективность. Концентрирующие солнечные электростанции (CSP) компании Solar Energy Generating Systems в Калифорнии сжигают природный газ, когда мощность солнечной энергии падает, что позволяет оператору гарантировать поставку электричества вне зависимости от погодных условий.
Сектор промышленности
В промышленном секторе предлагается отойти от использования дизельного топлива на нужды производства и заменить оборудование на газовые установки комбинированного цикла, причем использовать в качестве источника энергии не только газ, но и биогаз. Увеличить доход можно, предоставляя электроэнергию в сеть в периоды пикового потребления. Используя биогаз в качестве источника энергии, владелец завода может также участвовать в торговле «зелеными» сертификатами, способствуя достижению корпоративных целей в области устойчивого развития и сокращать чистые выбросы углерода.
ЖКХ
Для жилых домов предлагается внедрять интеллектуальные гибридные энергетические системы. Такие системы могут использовать несколько источников топлива, интеллектуальную энергетическую инфраструктуру и локальную генерацию. Такой дом или несколько домов могут использовать энергию от солнечных панелей (или локальной солнечной станции), небольших ветрогенераторов и ТЭС на природном газе. Интеллектуальная энергетическая инфраструктура позволит дому продавать электроэнергию в сеть в случае её избытка и становиться не только потребителем, но и производителем энергии (просьюмером).
В коммерческом секторе некоторые виды синергии можно проиллюстрировать на примере торгового комплекса, который генерирует, потребляет, хранит и продает энергию и энергетические услуги. Комплекс может иметь комбинацию локальных фотовольтаических панелей, ТЭС с гибким топливом, получать биогаз из отходов и хранить энергию в накопителях. Для ТЭС предприятие может закупать отходы у местного муниципалитета и, в сочетании с отходами, образующимися на месте, использовать их для обеспечения топливом турбины ТЭС с гибким топливом, которая также может потреблять природный газ. По мере изменения потребностей в отоплении и условий на рынке электроэнергии, энергия из системы когенерации может динамически перенаправляться для производства большего количества электроэнергии или в систему кондиционирования для обеспечения охлаждения [19].
Транспортный сектор
Любая заправочная станция может быть оборудована комбинацией солнечных панелей, ветрогенераторов и хранилищ энергии. В целом предлагается перевод крупногабаритных транспортных средств на СПГ в качестве топлива, а малогабиритных – на электродвигатели. Как топливо для большегрузных автомобилей и общественного транспорта СПГ успешно зарекомендовал себя в Китае и США, принося не только экологические, но и экономические преимущества. Как топливо для железнодорожного транспорта, СПГ предоставляет возможность не протягивать линии электропередач, а опытные образцы газотурбовозов российского и зарубежного производства, работающие на СПГ, демонстрируют экономическую и тяговую эффективность. В секторе авиатранспорта переход на СПГ может подтолкнуть развитие малой авиации и снизить выбросы СО2 от авиатоплив.
Перевод энергетической системы на чистые источники будет способствовать сокращению вредных выбросов от сжигания низкокачественных нефтепродуктов и снижению выбросов углекислого газа.
Для перевода энергетической системы в русло устойчивого развития нужны инвестиции и политическая воля. В качестве стимулов для перевода энергетического сектора на благоприятные для окружающей среды источники топлива можно использовать механизмы налоговых льгот и частно-государственного партнерства, штрафы за выбросы CO2, «зелёные» сертификаты, субсидирование государством стоимости (полной или частичной) технического перехода на газ/ВИЭ, обязательство госкомпаний приобретать/использовать энергию только из чистых источников.
Как описано в статье [20], гибридные системы дают следующие синергетические эффекты:
низкие капитальные затраты и переменные затраты на топливо для производства электроэнергии на природном газе дополняют более высокие капитальные затраты, но, как правило, нет затрат на топливо (за исключением биоэнергии) для возобновляемых источников энергии;
гибридизация технологий «природный газ – солнечная энергия и природный газ – ветер» могут значительно улучшить стабильность электроэнергетической системы за счет уменьшения перебоев в работе;
гибридные решения для преобразования энергии в газ позволяют преобразовать излишки возобновляемой генерации в искусственный метан или водород с помощью электролизеров, который затем хранится в инфраструктуре для природного газа в качестве эффективной технологии хранения;
природный газ может играть ключевую роль в поддержании напряжения и частоты сети, обеспечивая критические услуги по хранению энергии;
гибридные системы, устанавливаемые на автономных комбинированных электростанциях, являются одними из самых перспективных решений для энергообеспечения удаленных и труднодоступных регионов.
Выводы
В перспективе глобального энергетического кризиса, вызванного крупномасштабным перенаправлением денежных потоков в «зеленую» энергетику, необходимо повысить надежность ВИЭ. Это возможно осуществить двумя путями:
за счет развития систем хранения энергии;
за счет развития гибридных систем энергоснабжения с участием наиболее низкоуглеродных ископаемых источников энергии, таких как природный газ.
Внедрение гибридных систем энергоснабжения позволит:
- снизить уровень загрязнения и выбросов парниковых газов;
- привлечь инвестиции в регион;
- повысить энергетическую безопасность региона;
- сохранить экологическую систему региона;
- обеспечить население чистой и устойчивой энергией.
