Окружающая среда | Охрана природных ресурсов
15 августа 2008 года
Выработка электроэнергии: экологически чистые решения
(Использование низкоуглеродных технологий создает новые возможности для устойчивой энергетики будущего)
Льюис Милфорд and Эллисон Шумахер
Льюис Милфорд и Эллисон Шумахер - руководители "Клин энерджи груп", ведущей американской некоммерческой организации, занимающейся разработкой инновационных технологий, финансовых программ и общих стратегий для решения проблем, связанных с экологически чистой энергетикой и изменением климата.
Для разработки, промышленного внедрения, вывода на рынок и широкого внедрения низкоуглеродных технологий, которые перевернут весь мир, необходимы беспрецедентные по своему размаху инновации.
В последние годы рынки экологически чистых видов энергии растут чрезвычайно высокими темпами, но они представляют лишь малую часть усилий, необходимых для решения проблемы глобального потепления, которое предполагает радикальный переход к низкоуглеродному топливу в будущем.
К экологически чистым энергетическим технологиям принято относить обычные источники возобновляемой энергии - энергию Солнца и ветра, малые гидроэлектростанции, биомассу, термальную энергию океана, энергию приливов, отливов и волн, геотермальную энергию, топливные элементы, а также связанные с ними технологии хранения и преобразования энергии.
Однако необходимы комплексные инновации в области низкоуглеродных технологий. Мы должны значительно расширить использование этих возобновляемых источников энергии и развивать низкоуглеродные технологии, такие как обезуглероженный каменный уголь, связывание углерода, сверхэффективное производство энергии из ископаемых видов топлива, топливные элементы, биоэнергия и производные геномики, нанотехнологий и смежных областей.
Кроме того, одной лишь политики в области энергии и климата в ее нынешнем виде недостаточно для обеспечения развития рынков экологически чистой энергии в таких масштабах или с такими темпами, которые необходимы для укрепления энергетической безопасности и стабилизации климата к 2050 году. Мы должны применять творческие подходы при внедрении новых, новаторских стратегий для реализации всех этих возможностей низкоуглеродных технологий. Кроме того, существующие системы финансирования и промышленного внедрения инновационных технологий не способны обеспечить вывод этих остро необходимых низкоуглеродных технологий на рынок.
Лишь одновременно решая две взаимосвязанные задачи - ускоряя темпы разработки и внедрения инновационных низкоуглеродных технологий и обеспечивая их широкое финансирование и промышленное внедрение, мы сможем достичь энергетических преобразований планетарных масштабов.
Решения на основе низкоуглеродных технологий
Помимо возобновляемых источников энергии - таких как энергия Солнца, ветра и океана - и технологий повышения энергосбережения, перспективные решения на основе низкоуглеродных технологий включают в себя:
Обезуглероженный каменный уголь: комбинированный цикл комплексной газификации олицетворяет собой новое поколение угольных электростанций, которые в техническом отношении и в плане экологической безопасности значительно превосходят обычные электростанции. Это объясняется их способностью газифицировать каменный уголь, тем самым снижая уровни выбросов оксидов серы, окиси азота, макрочастиц и ртути до сгорания. Электростанции, применяющие комбинированный цикл комплексной газификации, также значительно сокращают выбросы углекислого газа и могут быть дополнительно настроены на улавливание углерода, что устранит потребность в очистке.
Обезуглероживание каменного угля может осуществляться тремя способами - с помощью скрубберов на конце трубы, связывание углерода и комбинированный цикл комплексной газификации (или этот цикл вместе со связыванием углерода). Эти три способа обезуглероживания уже используются в промышленности, но их необходимо внедрить в более широких масштабах для того, чтобы создать конкуренцию обычным угольным электростанциям и прекратить строительство последних. Это особенно актуально для развивающихся стран, где прогнозируется очень значительный рост числа обычных угольных электростанций. В будущем комбинированный цикл комплексной газификации может стать наиболее предпочтительной технологией угольных электростанций.
Сверхэффективные газовые электростанции: Электростанции на природном газе, которые используют усовершенствованные турбины комбинированного цикла, имеют более высокий КПД и создают меньше выбросов парниковых газов, чем обычные угольные электростанции. В разные периоды времени в течение 2005 года природный газ был более дорогим и нестабильным видом топлива (изменчивость поставок), чем каменный уголь, что повышало значение такого фактора как затраты/экономичность. От того, как будут в будущем развиваться поставки природного газа, будет зависеть разница в затратах. Для поощрения широкого использования сверхэффективных газовых технологий могут потребоваться стимулы к повышению затратной конкурентоспособности.
Топливные элементы: Топливные элементы преобразуют водород и кислород в электроэнергию, а побочными продуктами их работы являются лишь вода и тепловая энергия (топливные элементы не вырабатывают парниковых газов). Эта перспективная технология может иметь множество применений, особенно при распределенном производстве экологически чистой э?ектроэнергии в местах со значительными энергетическими нагрузками, такими как аэропорты, банки, информационные центры, станции поисково-спасательных служб, больницы и телефонные станции.
Топливные элементы локального применения обеспечивают энергетическую безопасность за счет устойчивой выработки высококачественной электроэнергии. Они могут работать на природном газе, а также на возобновляемых видах топлива. Барьеры для внедрения технологий топливных элементов включают в себя относительно высокие начальные капитальные расходы, строгие требования к техническому обслуживанию и эксплуатации, высокую себестоимость водородного топлива и проблемы хранения и доставки топлива. Для обеспечения широкого внедрения топливных элементов следует в первую очередь рассмотреть возможность их использования на критических объектах, таких как больницы и другие места, где перебои с подачей электроэнергии могут привести к серьезным последствиям. Для подобных объектов разница в стоимости может являться не столь значимым фактором. Также необходимо преодолеть другие барьеры для широкого внедрения топливных элементов на уровне коммунальных предприятий, такие как непомерно высокие тарифы на подключение к электросети в случае отключения топливного элемента для технического обслуживания.
Целлюлозная биомасса и биотопливо: По мере роста интереса к производству и использованию биотоплива все шире начинают использоваться технологии на основе биомассы, такие как анаэробные автоклавы и газогенераторы, для производства электроэнергии из сельскохозяйственных культур, их отходов и компоста. Однако рынок биоэнергии еще только зарождается, и ему предстоит пройти большой путь в своем развитии, прежде чем можно будет говорить о быстром и широком распространении технологий на основе биомассы и биотоплива. Кроме того, с точки зрения низкоуглеродных технологий общепризнано, что использование целлюлозной биомассы (на растительной основе) является более предпочтительным вариантом производства биотоплива, чем выращивание специализированных сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза, потому что побочным продуктом сбора и транспортировки таких культур являются выбросы углекислого газа. Геномные исследования могут иметь решающее значение для дальнейшего развития этих технологий, однако эти исследования еще предстоит направить на разработку и промышленное внедрение высокоэффективных видов биотоплива и энергосистем.
Улавливание углерода: Методы улавливания чрезмерных выбросов углерода для предотвращения их попадания в атмосферу подразделяются на две категории: 1) биологическое улавливание, при котором углерод улавливается растениями, способными поглощать много углерода и высаживаемыми в специально отведенных для этого местах; и 2) геологическое улавливание, при котором углерод инжектируется в скальные образования. В настоящее время исследуется ряд технологий, обеспечивающих улавливание углерода обоих типов, но пока ни одна из них не получила широкого распространения. Все заинтересованные организации, как государственные, так и частные, должны приложить более активные усилия для скорейшего решения различных научно-техническим вопросов, связанных с нахождением оптимального решения для улавливания и хранения углерода в долгосрочной перспективе.
Возможно, в будущем будет разработано множество других низкоуглеродных технологий, в результате чего незыблемому, казалось бы, господству традиционных энергетических технологий придет конец. Проблема заключается не только в разработке будущих низкоуглеродных технологий, но и в создании и быстром расширении рынков их сбыта.
Ускорение инноваций
Будущее сулит не только множество возможностей для развития низкоуглеродных технологий, но и вызовов. Эксперты сходятся во мнении о том, что для успешного освоения экологически чистых источников энергии потребуется уделить внимание не только прогрессу в области фундаментальных и прикладных наук, но и динамике промышленного внедрения новых технологий.
Страны "большой восьмерки" признали неотложную потребность в технологическом новаторстве и его коммерциализации, положив начало Диалогу "большой восьмерки" по изменению климата, экологически чистой энергетике и устойчивому развитию в Глениглсе (Шотландия) в июле 2005 года. Признавая критическую потребность в технологическом новаторстве для поддержки значительного наращивания усилий в области инвестиций, исследований и разработок и промышленного внедрения низкоуглеродных технологий, Всемирный банк разработал инвестиционную структуру, призванную послужить основанием для этого диалога.
В докладе Всемирного банка, посвященном этой инвестиционной структуре, делается вывод о том, что нынешняя политика и финансирование из государственных и частных источников являются недостаточными для продвижений технологий, которые сократят выбросы углерода в целях стабилизации климата.
Способы улавливания углерода
Улавливаемый из выбросов или удаляемый из воздуха углекислый газ (CO2) может в течение долгого времени храниться в растениях, почве и подземных коллекторах, инжектироваться глубоко в океаны или преобразовываться в очень твердые материалы. Сжиженный CO2 может использоваться для улучшения извлечения нефти из нефтяных месторождений и метана из непригодных для промышленной разработки угольных пластов. После этого отработанный CO2 может безопасно и постоянно храниться в недрах Земли.
Трудности, связанные с преобразованием мировой энергетической системы
Преобразовать мировую энергетическую систему будет чрезвычайно трудно. Она является наиболее капиталоемкой отраслью промышленности в мире, представляя собой сложную и взаимозависимую финансовую, регулятивную и институциональную сеть с более чем вековой историей защиты и поддержки. Однако энергетическая революция может произойти быстро: автомобиль заменил лошадь в качестве вида транспорта примерно за 30 лет, а территория США была электрифицирована менее чем за 40 лет.
Эти преобразования должны по своим масштабам быть эквивалентны технологическим преобразованиям в промышленно развитых странах за последние 100 лет, движущей силой которых также выступала энергетика. В этот период произошел переход от использования водяных колес в промышленности, древесины и керосина в быту и гужевого транспорта к почти всеобщей электрификации, преобладающему использованию угля для производства электроэнергии, миллионам транспортных средств, работающих на газе и дизельном топливе, реактивным самолетам и, в конечном итоге, микросхемам и порожденным ими "цифровой" экономике. Чтобы достичь аналогичных по масштабам преобразований, необходимо осуществить ряд изменений:
Крайне важно, чтобы правительства, научные круги и частный сектор координировали научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы с усилиями по промышленному внедрению новых технологий, а не сосредоточивали свое внимание исключительно на исследованиях.
Дебаты по низкоуглеродным технологиям должны вестись на различных уровнях (международном, субнациональном), а также в рамках Рамочной конвенции ООН об изменении климата и Диалога "большой восьмерки" об изменении климата, экологически чистой энергетике и устойчивому развитию.
В решении задачи сокращения выбросов углерода в глобальных масштабах должны участвовать организации государственного и частного секторов всех уро?ней. Это обеспечит возможность творческого решения проблем с учетом рыночных дефицитов, будет стимулировать переход на низкоуглеродные технологии и обмен информацией, а также будет поощрять связи между различными дисциплинами и обеспечивать реальные результаты.
Необходимо активно переориентировать финансирование энергетики на новые формы накопления капитала для создания инфраструктуры низкоуглеродной энергетики будущего.
Инвестиционная структура "большой восьмерки" и другие формы международного сотрудничества должны давать ответы на более общие вопросы по технологическому новаторству и промышленному внедрению. Необходимо заполнять бреши в цепочке инноваций для перехода к низкоуглеродным технологиям как в промышленно развитых, так и в развивающихся странах. Для достижения конкретных результатов эта деятельность должна сочетаться со значительным расширением ресурсов и четким определением бюджетов. Государственно-частные партнерства должны сделать своим главным приоритетом ускорение темпов разработки и внедрения инновационных низкоуглеродных технологий.
В комплексном подходе к решению всех этих проблем состоит обеспечение энергетической безопасности XXI века.
Мнения, выраженные в данной статье, не обязательно отражают взгляды или политику Калифорнийского университета или правительства США.
