Зеленая энергетика

ч

Каких-то 10-15 лет назад зеленая энергетика казалась развлечением для богатых и обеспеченных стран: стоимость вырабатываемой ветряками и солнечными электростанциями энергии была несопоставимо выше стоимости киловатт-часа, полученного от сжигания ископаемого топлива. Сокращение парникового эффекта, минимизация выбросов и прочие доводы в пользу экологии часто отступали на второй план, как только дело доходило до экономической составляющей: ведь какой смысл запускать строительство солнечной станции, если энергия от нее будет намного дороже, чем, например, от угольной
Однако затем на наших глазах произошла тихая революция. За 10 лет стоимость энергии от возобновляемых источников упала в несколько раз и сравнялась с традиционной энергетикой (и даже стала ниже!), в то время как цена на энергию из ископаемого топлива осталась примерно на том же уровне, а в случае с атомной энергией, наоборот, вообще возросла.

Почему же зеленая энергетика так стремительно дешевеет? И к чему этот процесс может привести? Мы выбрали главное из публикации Макса Розера, редактора портала Our World in Data.

Цена как определяющий фактор

Диаграмма 1. Оригинал изображения.

Сегодня на ископаемое топливо уголь, нефть и газ приходится около 79% мирового производства энергии. И у этого есть серьезные негативные последствия: на инфографике выше сопоставлены уровень смертности населения из-за загрязнения воздуха (слева) и объемы вырабатываемых парниковых газов (справа).

На сжигание ископаемого топлива приходятся 87% всех мировых выбросов CO2, и это ставит под угрозу не только жизнь наших потомков, но и всю биосферу в целом. И это же является причиной гибели множества людей и в наше время: ежегодно от этих выбросов умирают 3,6 миллиона человек по всему миру. Это в шесть раз больше, чем смертность от убийств, войн и атак террористов вместе взятых.

Из Диаграммы 1 очевидно, что такие альтернативы ископаемому топливу, как возобновляемые источники энергии (ВИЭ) и атомная энергетика, на порядки безопаснее и чище.

Но почему же тогда мировая экономика всё ещё полагается на ископаемое топливо?
Ответ простой: причина в том, что именно этот вид топлива долгое время оставался самым дешевым. Дешевле, чем все остальные источники энергии. Именно из-за этого на сегодняшний день уголь всё ещё обеспечивает 37% мировой электроэнергетики. На втором месте газ (24%). И вместе они крупнейший источник парникового эффекта, производящий 30% от всех глобальных выбросов.


Диаграмма 2. Оригинал изображения.

На Диаграмме 2 показано, насколько изменились цены на электроэнергию из невозобновляемых источников за последнее десятилетие. Для объективности и наглядности, стоимость выражена в нормированной стоимости электроэнергии (НСЭ, LCOE). НСЭ это средняя расчётная себестоимость производства электроэнергии на протяжении всего жизненного цикла электростанции (включая все возможные инвестиции, затраты и доходы). НСЭ учитывает стоимость строительства самой электростанции, а также текущие затраты на топливо и эксплуатационные расходы за весь срок работы. Таким образом, если НСЭ вашей электростанции будет выше, чем у других, вам придется очень потрудиться, чтобы найти покупателя вашей дорогостоящей электроэнергии и, с большой вероятностью, вы откажетесь от этой идеи в пользу экономически более выгодного варианта.
Как видно из Диаграммы 2, за последние 10 лет атомная энергия подорожала, газ подешевел, а цена на уголь осталась почти неизменной. Что стоит за этими графиками увидим чуть позже.


Диаграмма 3. Оригинал изображения.

На Диаграмме 3 тот же самый график, но с одним важным дополнением: в нем указана динамика снижения стоимости электроэнергии из возобновляемых источников (заметим, что все цены рассчитывались без учета субсидий). Посмотрите, как кардинально поменялась ситуация с стоимостью ВИЭ за последнее время. Буквально вчера, 10 лет назад, было намного дешевле и рациональнее выстроить еще одну угольную электростанцию, чем заморачиваться с солнечными или ветряными генераторами. Ветер был дороже угля на 22%, а солнце на целых 223%.

Однако за прошедшие 10 лет многое изменилось. В недалеком 2009 г. электроэнергия от фотоэлектрических установок стоила $359 за МВтч, а теперь на 89% меньше. И самое интересное: сейчас для того, чтобы окупить стоимость постройки новой угольной электростанции, вам придется выставлять конечным потребителям более высокую цену за энергию, чем в случае, если вы будете строить ветряную или солнечную электростанцию аналогичной мощности.
Это по-настоящему фундаментальное изменение, и оно, конечно же, оказало влияние на электроэнергетику. В последние годы энергия ветра и солнца развивались стремительно: в 2019 г. именно на ВИЭ приходилось уже 72% всех новых введенных в эксплуатацию мощностей.

Но почему же так происходит? Как зеленой энергетике удалось добиться столь быстрого снижения себестоимости?

Дело в том, что на затраты на производство энергии из ископаемых источников (а также атомной энергии), по существу, влияют два фактора:

• стоимость самого топлива;
• эксплуатационные расходы электростанции.

В отличие от этого, у ВИЭ топливо бесплатное: его не нужно добывать из недр и транспортировать. Да и расходы на эксплуатацию существенно меньше. Главный фактор, определяющий себестоимость ВИЭ, это сама технология производства.

От космических цен к массовому рынку

Сделаем небольшой экскурс в прошлое и вспомним, какой путь прошла фотоэнергетика. Одно из первых упоминаний о стоимости солнечной электроэнергии относится к 1956 г. Тогда она составляла $1865 за один ватт (в ценах 2019 г. и с учетом инфляции). Но один ватт это ни о чем. Условная современная солнечная панель, установленная на крыше дома, вырабатывает около 320 Вт, и при такой цене в 1956 г. она обошлась бы нам в целых $596 800. Конечно, ни о какой конкурентоспособности тут и речи не было.
Но спасибо космическим исследованиям. Благодаря им, произошло первое практическое применение солнечной энергии: в 1958 г. солнечной батареей снабдили американский спутник Авангард-I и советский Спутник-3. На протяжении 1960-ых космическая индустрия оставалась главным потребителем фотоэнергетики. Спрос рос, и производство тоже росло, а технологии постепенно оптимизировались. Как следствие, себестоимость солнечных модулей хоть и медленно, но неуклонно снижалась.

В 1970-ых космическая технология наконец спустилась на Землю. Первыми наземными случаями применения солнечных батарей стали попытки электрифицировать труднодоступные места, которые было чересчур дорого подключать к обычным электросетям: маяки, железнодорожные переезды и т.д. Крайняя верхняя левая точка на Диаграмме 4 стоимость одного ватта в 1976 г.: 112 долларов США (с поправкой на инфляцию). Обратите внимание, что общий мировой объем выработки солнечной электроэнергии в то время составлял около 0,3 Мвт. Это, конечно, уже было неслыханным прогрессом (по сравнению с 1956 г. цена снизилась на 94%!), но 0,3 МВт увы, еще далеко не промышленный масштаб.


Диаграмма 4. Оригинал изображения.

Но на самом деле всё только начиналось График на Диаграмме 4, у которого обе шкалы (оси) логарифмические, наглядно демонстрирует, как год за годом, вплоть до нашего времени, цена солнечных батарей проходила по кривой обучения: в то время как ввод новых мощностей экспоненциально рос себестоимость солнечных модулей экспоненциально снижалась. Чем шире становилось производство, тем дешевле обходилась продукция, а это, в свою очередь, вело к еще большему росту производства, это та самая экономия на масштабе, которую мы встречаем практически повсеместно. Плюс, конечно, помогла государственная поддержка, которая за счет субсидий смогла снизить цену на ранних, самых дорогостоящих этапах.

Достижения, которые сделали возможным такое снижение цены на солнечные батареи, касаются, по сути, всего производственного процесса. Предприятия стали более крупными и эффективными; более результативным стал НИОКР; совершенствовалось производство кремниевых пластин; расширялись масштабы добычи сырья; модули становились более прочными и долговечными; развивалась конкуренция; снижались капитальные затраты на производство. Эти и многие другие большие и маленькие улучшения формировали тот общий процесс, который вел к постоянному снижению себестоимости.

Если за своего рода скорость обучения принять темп снижения себестоимости по мере удвоения производства, то в случае с солнечными батареями этот показатель составил 20,2%. Технология производства быстро дешевела, и в период с 1976 года по 2019 стоимость батарей упала с $106 до $0,38 за 1 вырабатываемый ватт. Аналогичное экспоненциальное изменение кривой обучения хорошо нам знакомо и по другим технологиям: самый известный пример это стоимость компьютеров (процессоров) и знаменитый закон Мура.

Но нас больше интересуют цены не на солнечные батареи, а собственно на вырабатываемую ими электроэнергию. На Диаграмме 5 сопоставлены невозобновляемые виды энергии (атомная энергия и уголь) и возобновляемые солнечная энергия, материковая и береговая ветроэнергетика).


Диаграмма 5. Оригинал изображения.

Этот график тоже с логарифмическими шкалами, и он показывает, что кривая обучения, которую мы видели в случае падения цен на солнечные батареи, повторяется и здесь. Стоимость зеленой электроэнергии экспоненциально снижается по мере роста ее производства. С каждым удвоением объемов производства, стоимость 1 ватта снижается на 36% (для солнечной энергии) и на 23% (наземная ветроэнергетика). А вот энергия от морских ветроэнергетических установок всё ещё относительно дорога лишь на четверть дешевле атомной энергетики и немного дороже угля. Тем не менее, эксперты ожидают быстрого снижения стоимости этого вида энергии в ближайшие несколько лет, прежде всего за счет увеличения размеров турбин и большей загруженности из-за постоянного ветра.

Таким образом, производство электроэнергии из ВИЭ демонстрирует динамику быстрого и неуклонного снижения. А как обстоят дела с традиционной энергетикой?

Мировая цена на уголь с 2010 по 2019 гг. снизилась с $111 до $109, т.е. всего на 2% на фоне того, как удешевление солнечной составило 89%, а ветровой 70%. Стагнация цен на угольную электроэнергию в последние 10 лет не является чем-то удивительным. Исторически динамика ее стоимости никогда не следовала кривой обучения: она была и остается относительно дешевой. Но сколько-нибудь серьезно дешеветь она уже не будет. Во-первых, у современных угольных электростанций мало возможностей для серьезного роста КПД: наиболее эффективные предприятия достигают КПД в 47%, а в среднем он составляет около 33%. Во-вторых, цену на угольную электроэнергию в значительной степени формируют затраты на сырьё, на которое уходит до 40% от общих затрат на производство. Даже если цена на возведение угольных станции существенно снизится, а их КПД повысится, цена на топливо всё равно будет блокировать динамику снижения стоимости.

А вот цена на электроэнергию из газа, напротив, за последние 10 лет снизилась на 32%, до $56 за МВтч. Одна из причин уменьшение стоимости строительства перерабатывающих предприятий. Но гораздо важнее другая причина: значительное снижение цены самого газа как сырья после пика стоимости в 2008 г., в том числе из-за роста предложения с технологией гидроразрыва пласта. Однако это снижение цен на сырье носит временный характер: цена на газ сегодня на самом деле выше, чем два-три десятилетия назад. Вряд ли оно продолжится в будущем, и, очевидно, что ни о какой кривой обучения в отношении стоимости газовой электроэнергии говорить не стоит.

Атомная электроэнергия, как видно из Диаграммы 5, вообще подорожала, и в долгосрочном периоде эта тенденция сохранится. Строительство атомных электростанций стало более дорогостоящим, в том числе потому, что ужесточилось регулирование отрасли. К тому же в последние годы в мире было построено не так уж много новых АЭС, и как результат не возникало эффекта масштаба. Поэтому средняя мировая стоимость атомной энергетики (как НСЭ) в общем возросла. Что, впрочем, не отменяет довольно большого разброса в ценовых тенденциях между отдельными странами и регионами. Например, если в США и Великобритании цены и срок строительства станций значительно выросли, то во Франции и Южной Корее они остались на прежнем уровне. По мнению ряда экспертов, избежать скачка цен удалось тем странам, где строительство реакторов в наибольшей мере стандартизировано. Если стандартизация станет повсеместной, а рост количества новых АЭС перестанет стагнировать, то есть вероятность, что стоимость ядерной энергетики пойдет на снижение. Вряд ли она когда-либо достигнет экспоненциальной динамики стоимости ВИЭ, но зато сможет эффективно дополнить возобновляемую энергетику там, где последняя сталкивается с проблемами. Плюс не стоит забывать про возможные перспективы термоядерных реакторов, которые теоретически могут полностью изменить мировую систему энергоснабжения.

Заключение

Так почему же возобновляемые источники энергии так быстро дешевеют? Как следует из приведенных аргументов, главная особенность, кардинально отличающая ВИЭ от ископаемого топлива, это то, что их себестоимость следует экспоненциальной кривой обучения. Электростанции, использующие возобновляемые источники, не требуют затрат на само топливо и сравнительно недороги в эксплуатации и техническом обслуживании. Их цена (НСЭ) зависит исключительно от стоимости технологий. И эти технологии будь то получение солнечной энергии, энергии ветра или технологии аккумуляции, следуют кривой обучения: каждое удвоение мощностей ведет к соответствующему снижению затрат. Чем большее распространение получают ветровые и фотоэлектрические генераторы, тем быстрее снижается их стоимость.

Таким образом, чем больше зеленой энергетики мы внедрим сегодня, тем еще больше, за счет снижения себестоимости, сможем внедрить завтра. Соответственно, расширяя масштабы использования ВИЭ, мы одновременно решим две проблемы: снизим негативные последствия от выбросов и парникового эффекта и, что, возможно, еще более важно, получим более дешевую электроэнергию. А это, в конечном итоге, будет вести к повышению реальных доходов населения, экономическому росту и сокращению бедности.

Многие знают, особенно в IT, что своими корнями технологическая революция последних 40 лет уходит в космическую гонку. Противостояние между СССР и США в том, кто кого переплюнет в масштабности и экстравагантности символических жестов одновременно самый бессмысленный и самый плодотворный эпизод в истории прогресса. Даже триумфальный пик космической гонки одновременно вершина её абсурдности, когда США только чтобы воткнуть свой флаг, залетели так далеко, что часть самих же американцев до сих пор в это не верит.

Но какая разница, на самом деле, когда космическая гонка дала разгон не только ракетам, но и фундаментальной науке, образованию и технологическим производствам и США, и СССР. Благодаря эффективному государственно-частному партнёрству, США удалось конвертировать космическую гонку в технологический прорыв, обеспечивший миру вторую крупнейшую коммуникационную революцию с изобретения письменности, создать новый рынок глобальной экономики, цифровую экономику, и дать старт мощной и динамичной IT-индустрии, которая в нём заняла лидирующие позиции.



В 1970-е космическая гонка уже стала сходить на нет, а перемены, произошедшие в 80-е и 90-е как в США, так и с СССР сказались, в числе прочего, и урезанием прежнего финансирования фундаментальной науки и образования. Бурное развитие IT-бизнеса это продолжает скрывать, но фундамента, на котором выросло первое поколение Кремниевой долины и основатели Рунета 90-х больше нет. К счастью, есть ещё Китай, который вкладывает в науку и образование на уровне, сопоставимом с советским и американским в прошлом, и становится главным поставщиком мозгов на мировом рынке. Амбиции Китая понятны: у них, в качестве планки, есть и космос, в котором им надо обогнать США, и Кремниевая долина.

Остальному миру же пора, во-первых, осознать, что бурный рост последних 30 лет не будет (как никакой рост никогда и не бывает) вечным, что инерция толчка, данного ещё 60 лет назад (!) угасает, и что для нового большого рывка миру нужна новая большая цель. Что-то, что послужит космической гонкой XXI века. И мир эту цель уже, похоже, нашёл: глобальная энергетическая трансформация, переход с ископаемого топлива на возобновимую чистую энергетику.

Дебаты об этом переходе ещё идут, но всё чаще в форме дебатов как быстро, а не стоит ли. Преимущества зелёной энергетики накладываются на недостатки ископаемой, и уже опережающий ожидания рост солнечной энергетики вкупе с неизбежной конечностью эпохи углеводородов, позволяют сказать: переход на зелёную энергетику уже идёт. И итоговая замена нефтегазового топлива возобновимыми источниками уже неизбежна. Вопрос не в том, произойдёт ли это, а когда именно. Горизонт ожиданий от 2050 до 2100 годов. По меркам глобальных процессов это не так много, мы уже всего в одном поколении от самого оптимистичного порога.

Энергетика один из крупнейших секторов экономики, и спрос на энергию постоянно растёт (примерно на 1% в год). Перевод современной энергетики на возобновимые источники подразумевает смену игроков. По сути, зелёная трансформация означает не изменение существующего рынка, а создание на его месте совершенно новой индустрии ещё больших размеров. Пока он осваивается, в основном, частными игроками. Но никаких частных капиталов не хватит для создания с нуля новой энергетики в масштабах планеты, контроль над долей этого рынка вопрос как энергетической независимости, так и экономического благополучия целых стран. Это значит, что выход на этот рынок не корпораций, но стран только вопрос времени. И в крупнейших экономиках мира, США и ЕС, это уже обсуждается.

Гонка за зелёную энергетику, космическая гонка XXI века, уже начинается.

В мире сегодня есть три территории, у которых есть необходимые для зелёного рывка ресурсы: США, Китай и Евросоюз. У них деньги, образованная рабочая сила, система образования, которая сможет подготовить специалистов для новых отраслей и развитая наука.

Президент Европейской комиссии, исполнительного органа власти Европейского союза, Урсула фон дер Ляйен о плане Евросоюза стать углеродно-нейтральным континентом к 2050:


Лидеры Евросоюза в декабре 2019 в Брюсселе утвердили цель о net-zero выбросах парниковых газов к 2050, принятый сразу 27 из 28 стран, кроме Польши, чья экономика сильно зависит от угля (но у Евросоюза есть 30 лет чтобы решить эту проблему). И утвердили European Green Deal с бюджетом 100 млрд. European Commission President Ursula von der Leyen described it as Europe's man on the Moon moment.

Евросоюз, объявивший свою программу Green Deal на уровне Еврокомиссии, уже начинает движение, однако в целом их программа выглядит совсем не такой амбициозной и гораздо менее динамичной, чем Green New Deal.

Сказать, что это крайне не амбициозная программа, даже близко несопоставимая с уровнем амбиций СССР в 1950-х и США в 1960-х ничего не сказать. Причина слабости ЕС, как и в США, политическая. Но, если Green New Deal в США надёжно заблокирована нефтегазовым корпоративным лобби, то в Европе нет проблем с политической волей как таковой. Крупнейшая экономика Европы, Германия, активно развивает солнечную энергетику, а на последних выборах в Европарламент непредвиденную победу одержала партия зелёных.

Тем не менее, пока трасса для зелёной гонки широкая и пустая. На старт вышла только Европа. США стоят в стороне и разговаривают сами с собой. Китай делает вид, что её не замечает. Россия качает нефть.

Однако, как и полное таяние ледяной арктической шапки начало соревнования по энергетическому переходу неизбежно. Условия для этого уже почти созрели. И, как и полное таяние Арктики, случится это скорее, чем ожидали ранее. Нынешний таймлайн европейского энергетического перехода, 2050 год, совпадает с прежними ожиданиями климатологов. Но обновлённые расчёты, сделанные в 2020, показывают, что полного оттаивания арктической ледяной шапки в летние месяцы можно ожидать уже начиная с 2035 года (бедный Умка).

Скорее всего, зелёная гонка, которая сейчас даже не началась, к тому моменту будет в самом разгаре. Кто в ней будет участвовать?

ЕС тормозит отсутствие предыдущего опыта реализации таких масштабных проектов, какой в прошлом был у США и СССР, а сейчас ещё имеется у Китая.

Послевоенная Европа сама, в каком-то смысле, стала масштабным проектом США через план Маршалла. Она не участвовала ни в космической гонке, ни в гонке вооружений, полагаясь больше на защиту через НАТО теми же США. Несмотря на то, что по наличию необходимых ресурсов (в первую очередь, квалифицированной рабочей силы и эффективного образования) Европа опережает и США, и Китай, ей, политически, нужно заново учиться ходить самостоятельно, а не держась сзади за уверенно шагающие вперёд США. Ситуацию для ЕС усложняет и то, что это конфедерация, что отличный формат для гармоничного и дружественного сосуществования стран, но дополнительное сопротивление для решения задач, требующих централизованной координации.

Китай публично никаких планов по переходу на возобновляемую энергетику и вовсе не заявлял. Их экономика работает на дешёвом ископаемом топливе, которого у Китая в избытке: собственный уголь, дешёвый газ из России и дешёвая нефть из Ирана. При этом в Китае уже который год замедляется экономический рост, поэтому переход на более дорогую, особенно на первых порах, зелёную энергетику КНР даже не рассматривает. При этом Китай обладает всеми необходимыми ресурсами для зелёного перехода, включая мощную государственную машину, имеющую практический опыт осуществления масштабных проектов в последние несколько десятилетий, а не полвека назад, как США. Фактически, Китай сейчас лучше всех готов к быстрому старту без раскачки.

С другой стороны, похоже, что Китай настолько парализован страхом экономического спада последних лет настолько, что впервые со времён Дэн Сяопина предпочитает краткосрочные цели (поддержание огня китайской промышленности) долгосрочным. Если это так, то это может стать крупнейшей экономической ошибкой Китая за последние 40 лет.

Для того, чтобы эта ситуация ожила, доброй воли умных людей недостаточно требуется соперничество. Евросоюзу нужно то же, что было у СССР и США конкурент. Сначала одна страна, затем другая, бочком-бочком начнёт двигаться вперёд, вложатся в солнечные фермы там, поставят ветряные мельницы сям заметят, что другие тоже зашевелились, двинутся вперёд увереннее, пока, наконец, все не побегут.

На фоне этих гигантов Россия перед стартом зеленой гонки смотрится УАЗом на фоне Катерпилларов. По количественным параметрам Россия проигрывает им в разы по всем пунктам от количества денег до числа людей.

Однако текущая заминка на старте Зелёной гонки позволяет немного пофантазировать, ведь, фактически, трасса сейчас свободна для любой экономики, которая решит первой начать осваивать рынок зелёной энергетики комплексно, а размеры потенциального рынка позволят какое-то время ехать по ней, не встречая конкуренции. То есть, сравнительно малые размеры экономики пока не являются препятствием для участия.

Что будет, если взглянуть на Россию не в сравнении с гигантами, а с точки зрения её собственной готовности к Зелёной гонке?

Деньги: деньги у России есть. В Стабфонде и других заначках лежат, суммарно, десятки триллионов рублей это сотни миллиардов долларов. Для сравнения, по сравнению с $16 триллионами американской Green New Deal это считанные проценты. Но для начала реиндустриализации собственные резервы России есть.

Образованная рабочая сила в России по-прежнему есть. Более того, экономический кризис, вызванный пандемией, оставил огромное число россиян без работы. По неофициальным данным, работу могло потерять до восьми миллионов человек. То есть, у России есть не только деньги на начало реиндустриализации, но и огромный социальный запрос на это: миллионам людей нужна работа. Ещё миллионам людей нужна хорошо оплачиваемая работа, которую могла бы обеспечить реиндустриализация.

Образование и наука. Реиндустриализация невозможна без эффективной образовательной системы, которая обеспечит экономику большим числом квалифицированных кадров в ближайшем будущем. В этом смысле, российское образование полностью непригодно. Горстки ВУЗов, которые могут конкурировать на олимпиадах с лучшими университетами мира, достаточно для бравурных репортажей Первого канала, но не для обеспечения технологического рывка, сопоставимого с космической гонкой. Реиндустриализацию России можно начинать только вместе с масштабной реформой образования и науки, без которых российский гоночный автомобиль заглохнет на трассе Зелёной гонки вскоре после старта.

Основная причина, по которой всё вышеперечисленное не может из состояния потенциальной энергии перейти в кинетическую превалирующее политическое и экономическое ресурсодобывающее лобби при полном отсутствии общественного запроса на трансформацию экономики и энергетики. Эта ситуация напоминает американскую, где размеры предвыборных пожертвований нефтяной индустрии политикам в Вашингтоне главное препятствие для начала энергетического перехода. С той лишь разницей, что в США деньгам ресурсной олигархии с одной стороны противостоит популярная в обществе экономическая программа Green New Deal с другой.

The Green New Deal только план, но на сегодняшний день это единственный план, соответствующий масштабам проблем и задач XXI века. И это только американский план.


В России же с одной стороны эшелонированная оборона олигархов и сырьевых корпораций, с другой сверчки. Нет ни идеи, ни программы, хотя бы даже списанной с американской Green New Deal.

Это слепое пятно тем более пугающе, что у России больше всех причин участвовать в Зелёной гонке. Европа, США и Китай страны с крупнейшими экономиками, уверенно смотрящие в будущее. Для них возможности зелёной трансформации это решение будущих проблем.

Для России участие в Зелёной гонке стало бы решением проблем, разрушающих экономику прямо сейчас. Сегодня Россия это сервисно-сырьевая экономика. Состояние сервисной части полностью зависит от положения дел в сырьевой, которое страдает от волатильности цен и международных санкций. Но перспективы этой структуры куда хуже. Цены на нефть из-за пандемии уже обвалились. Возможно, в последующие годы они восстановятся. Но это лишь оттянет наступление конца: рынку нефти больше некуда расти спрос на неё с каждым десятилетием будет падать вместе с ценами, в определённый момент достигнув уровня, когда на нефтяной экспорт больше нельзя будет рассчитывать как на палочку-выручалочку российского бюджета.

Новая индустриализация

Возможно, самый важный элемент экономики в России отсутствующий: промышленное производство. Последние 30 лет очень популярно мнение, что экономика XXI века это сервисная экономика. Промышленность, мол, прошлый век. Это не так. Отчасти это правда. Именно сервисная экономика, похоже, будет обеспечивать основную долю занятости. Промышленности быть основным работодателем в экономике действительно уже не светит в первую очередь, из-за автоматизации. Однако рабочие места в сервисной экономике как в России, так и по всему миру оплачиваются в разы ниже, чем в промышленности, и требуют куда менее квалифицированного персонала. Промышленность даёт спрос на хорошее образование и даёт высокий уровень жизни. Фокус на сервисную экономику ведёт к снижению уровня жизни и деградации образования. Как минимум поэтому любой здоровой экономике нужен сильный промышленный сектор чтобы балансировать слабости сервисной экономики. Промышленность для экономики насыщенное полезными элементами питание, сервис фастфуд. И тем, и другим можно наесться, но качество жизни будет принципиально разным. Промышленность стимулирует людей богатеть и умнеть, сервисный сектор беднеть и тупеть.

Другая проблема сервисной экономики её полная зависимость от внешних источников богатства. Расцвет сервисной экономики начался с ростом цен на нефть, потому что в Россию потекли деньги и появилась возможность их тратить на услуги. Однако сейчас, когда стало ясно, что сырьевой сектор уже не жилец, и доходы от него будут неумолимо снижаться, сервисную экономику тоже ждёт упадок, с пробником которого Россия познакомилась во время карантина в апреле-мае этого года.

Здесь-то зияющая пустота на месте промышленности и становится болезненно очевидной. На начало XXI века пришлись расцвет софтверной экономики, экономики услуг и удалённых коммуникаций, а под словом продукт всё чаще стал пониматься программа или даже банковский продукт. Однако, несмотря на всё это, люди продолжают жить в материальном мире. И в этом мире всегда в первую очередь будут нужны настоящие продукты, в том числе те, которые обеспечивают существование сервисной и цифровой экономик. В этом смысле Россия уже полностью зависима от импорта. Но сейчас, с началом угасания сырьевой экономики, становится ясно, что без производства продуктов потреблять их тоже скоро будет не на что.

Однако экономика развитых стран сервисно-промышленная. Экономика стран второго мира сервисно-добывающая. Однако ни развитая страна мира не является чисто сервисной.

Промышленное производство нужно не только, чтобы сбалансировать недостатки сервисной экономики, но и чтобы её содержать. При нынешней экономике с утратой сырьевой опоры и отсутствием промышленной России грозит только неумолимое обеднение. Поскольку сырьевая экономика по крайней мере, ископаемое топливо будущего не имеет, то России, чтобы избежать беспросветной нищеты, и без того сопровождавшей большую часть её тысячелетней истории, необходима новая индустриализация.

Промышленность вновь создаст спрос на образование и науку, новые высокооплачиваемые места, и продукт, который заменит экспорт нефти и газа.

В каком-то смысле, Россия 2020-х годов находится в сопоставимом положении с 1920-ми. Только аграрно-сервисную экономику сменила аграрно-сырьевая. Мир, переживающий сильнейший экономический кризис с 1929 года, тоже переживает флэшбеки столетней давности. Однако развитые страны переживут удар по сфере услуг благодаря их промышленному сектору. России кормить сервисную экономику без нефтегазовых доходов будет нечем, поэтому выбор, чтобы пережить нынешний кризис, у неё только один реиндустриализация.

Но ведь товар мало производить, надо, чтобы его ещё и покупали, верно? Верно. Решиться на реиндустриализацию, не решившись, что производить, не получится. России нужно не производство ради производства, чтобы от года к году накручивать счётчики выплавки чугуна и чувствовать себя счастливыми, а наукоёмкое высокотехнологичное производство и, главное, с высоким экспортным потенциалом, который позволит её заменить экспорт углеводородов. Это означает необходимость ориентироваться на крупный рынок. Рынок с долгосрочными перспективами, у которого нет прогнозируемого срока годности, пусть даже это будет и 50+ лет.

И, наконец, поскольку российской промышленности предстоит выходить на этот рынок с нуля, желательно, чтобы это был рынок с низкой конкуренцией.

Всем этим критериям соответствует только рынок зелёной электроэнергетики. Его потенциал огромен постепенно он должен заменить собой все ископаемые источники топлива и, вероятно, ядерную энергетику (которую некоторые страны, включая Германию, уже постепенно начинают запрещать). Он ещё только в начале своего роста, так что даже такая экономически маленькая страна, как Россия, имеет возможность застолбить на нём существенную долю.

И он практически свободен от конкуренции пока Китай, США и ЕС мешкают с выходом на него. Это отличает рынок зелёной энергетики от любого другого перспективного рынка XXI века, о котором можно подумать от софта и ИИ до биотехнологий. Все они уже разделены между странами с развитым образованием, хорошо финансируемой наукой и дружелюбными условиями бизнеса. Порог входа на эти рынки очень высок, и во многих случаях России сперва нужно будет наверстать годы отставания, что невозможно при её текущем состоянии науки и образования.

К тому же, совершенно не факт, что даже самые модные и технологичные рынки вроде ИИ и биотехнологий смогут дорасти до уровня крупнейших секторов мировой экономики. Ей по-прежнему может остаться энергетика в конце концов, и в будущем энергия будет нужна всем, включая разработчиков ИИ и сами их детища. То есть, Россия могла бы вновь занять привычное ей место поставщика энергоресурсов, только на более высоком уровне.

Участие в Большой зелёной гонке позволит России получить своё место под солнцем (буквально, поскольку речь, в первую очередь, о солнечной энергетике) на мировом энергорынке будущего, обеспечив ей доходы на долгосрочную перспективу и решив неотложные проблемы настоящего.

Во-первых, это вытащило бы экономику из рецессии, из которой сейчас не видно никаких других путей выхода. Во-вторых, это решило бы массу социальных проблем в первую очередь, угрожающего роста безработицы и падения доходов населения. В-третьих, вновь переставило экономику с рельс сервисной и сырьевой на промышленные. И, конечно, позволило бы слезть с нефтяной иглы до того, как она сама перестанет прокачивать только воздух.

Включение в Зелёную гонку будет означать реиндустриализацию России, развитие образования и науки, создание высокооплачиваемых рабочих мест и опорный сектор экономики на замену сырьевой, на котором снова сможет расцвести уже сервисная экономика.

В каком-то смысле, Россия находится в худшем возможном и лучшем возможном положении одновременно. Её экономика сегодня уже в плачевном состоянии, макроэкономическая ситуация неумолимо ухудшается для неё и никаких источников роста в долгосрочной перспективе для неё нет. Россия сегодня в положении больного гемофилией, беспомощно наблюдающего, как из пореза капля по капле из него вытекает вся кровь.

С другой стороны, кризис, настоящий глубокий кризис лучшее время для решительных перемен. Для Европы, США и Китая, экономически и промышленно ощущающих себя отлично, Зелёная гонка вопрос перспективы, обеспечения себе будущего, не менее сытого, чем настоящего. Для России это вопрос выживания, от которого зависит, будет ли Россия в уже недалёком 2030 году нищей и беспомощной или растущей и оздоравливающейся.

Так что России, при всех её проблемах, привалило аж три удачи:

1. мир находится в начале глобальной энергетической трансформации;
2. сильнейшие претенденты на его захват тянут с выходом на него;
3. среди остальных стран Россия в одной из лучших форм готовности к конкуренции на нём.

И даже беспросветное положение экономики на сегодняшний день оборачивается четвёртой удачей, потому что может излечить одну из главных проблем России последних 20 лет, которой я бы назвал апатию. Имея свой кусок хлеба и зрелищ, пока шли нефтяные дохода, страна апатично наблюдала, как в ней рассыпается, распускается, эмигрирует и выводится, сносится и оптимизируется всё, что ей досталось от СССР и при этом не производится взамен ничего нового, кроме способов потребления.

Теперь есть шанс, что, вместе со сходящим после сытых нулевых жирком боязнь перемен постепенно сменится требованием перемен. Голодание известных издревле метод лечения апатии и вялотекущей депрессии. Глобальное потепление прямо на наших глазах плавно переходит в климатический кризис и, как говорят американцы, it would be a shame to waste a good crisis.

Производитель ОСР-систем (Open Compute Project ) ITRenew объединится с голландским хостинг-провайдером Blockheating, чтобы обеспечить теплом от дата-центров тысячи гектаров теплиц. Полученные от ДЦ излишки тепла будет передаваться на ближайшие фермы, где выращивают помидоры. Полная сингулярность, ага.

Некоторые крупные города замедляют или приостанавливают строительство новых ЦОД из-за перегрузки энергосистем и появления сопутствующих проблем с окружающей средой. В то же время интернет вещей и начало эры 5G-сетей формируют спрос на еще более распределенную и быструю IT-инфраструктуру.

ITRenew и Blockheating направили усилия на удовлетворение этих потребностей. В рамках новой инициативы они разворачивают контейнерный ЦОД формата все-в-одном не только эффективные и высокопроизводительные, но и полезные для сельского хозяйства.

Blockheating превращает тепло, генерируемое дата-центрами, из отходов в ценный ресурс для обогрева теплиц. Они придумали новый способ утилизации выработанного серверами тепла. Серверы охлаждаются при помощи системы жидкостного охлаждения, а теплоноситель с помощью теплообменника обеспечивает подогрев воды в теплицах до 65 градусов Цельсия. Чтобы выйти с предложением на рынок, они искали партнера со схожими интересами и приоритетами в развитии.

Новые контейнерные ЦОД будут оборудованы серверами и системами хранения Sesame от ITRenew. Известно, что ITRenew также выступает за уменьшение отрицательного воздействия ДЦ на окружающую среду без ущерба для качества и производительности IT-инфраструктуры.

В Нидерландах находится больше 3,7 тыс. га коммерческих теплиц. Один контейнерный ЦОД сможет обогреть теплицы площадью около 2 гектара летом и 0,5 гектара зимой. По словам экспертов, этого будет достаточно для ежегодного прироста урожая, примерно тонна томатов в год.

Испытания тестового контейнерного ЦОД в Blockheating провели в 2019 году.

На фото один из прототип контейнерного обогревателя для теплиц, 2019 год

Испытания проходили в теплицах, установленных недалеко от Венло, рядом с Германией. Мощность ЦОД составляла тогда 60 кВт. Сейчас ее увеличили до 200 кВт. Из-за охлаждения жидкостью нет необходимости устанавливать рядом системы кондиционирования воздуха, что дает возможность снизить затраты.

Завершились времена, когда стройные ряды рабочих в семь утра отправлялись к станкам, а в восемь вечера так же организовано покидали фабрики и затем почти одновременно засыпали перед телевизором. Теперь мегаполисы никогда не засыпают, а вместе с ними в режиме 24/7 и всё прогрессивное человечество, совы, индустрия развлечений и глобальные сетевые корпорации. Всем им нужно электричество, причём в любое время, без выраженной цикличности. А между тем мир переходит к возобновляемым источникам энергии, чья выработка зависит от природных условий, никак не контролируемых человеком. Как в этом мире запасаться, а затем делиться электроэнергией, не допуская блэкаутов? Рассказываем на примере технологий Toshiba.

Плюс электрификация всей планеты

Потребление электричества будет нарастать. Главные направления этого процесса электрификация автотранспорта, перевод некоторых промышленных процессов от теплоэнергии на электропитание, а также рост бытового потребления электротока. В частности, по прогнозу Международного энергетического агентства, к 2040 году по нашей планете будут ездить 130 млн электромобилей, хотя в 2018 году их насчитывалось 5,1 млн единиц. Всего же количество автомобилей сейчас оценивается в 1 млрд, а к 2035 году оно может вырасти до 2 млрд единиц. В пищевой, фармакологической, текстильной, бумажной и других отраслях электричество будет заменять уголь и газ при выработке средне- и низкотемпературного тепла. Продолжится и электрификация бедных стран, где электричество будут шире применять в быту. А доля электричества в общем энергопотреблении увеличится с 19% в 2018 году до 24% в 2040-м.

Соответственно повысятся риски блэкаутов масштабных аварийных отключений электроснабжения, затрагивающие большое число разнообразных потребителей. По данным Всемирного банка, в 2019 году в среднем по всем странам мира различные организации испытывали 6,8 отключений энергии в месяц. Правда, в странах ОЭСР этот показатель составил 0,4 отключений, а в России 0,2 отключения в месяц.


Авария в энергосистеме США и Канады в 2003 году взгляд из космоса. 14 августа 2003 года 10 млн человек в Канаде и 40 млн человек в США остались без электричества. Источник: National Oceanic and Atmospheric Administration, Defense Meteorological Satellite Program / Wikimedia Commons

В то же время внедрение в производство и быт таких технологий как искусственный интеллект и интернет вещей (в том числе промышленный интернет вещей) требует минимизации отключений электричества, способных серьёзно нарушить работу сложных интеллектуальных систем.

Помимо этого, подход к потреблению энергии изменится и после внедрения возобновляемых источников энергии, которые дают разную выработку в зависимости от времени суток и погоды. В дневные часы или ветреную погоду солнечные батареи и ветряные электростанции генерируют больше тока, чем ночью и в штиль. Соответственно, излишки энергии лучше сохранять на всякий случай. Но как?

Энергетические метаморфозы

Сохранять энергию, особенно в промышленных масштабах, непросто. Несмотря на то, что природа электричества хорошо изучена, его сохранение требует либо громоздких, либо дорогостоящих (либо и тех и других одновременно) технических решений. Что же защитит сильно электрифицированный мир будущего от блэкаутов?

Если ответить коротко, химия и механика. Практически все способы накопления электроэнергии сводятся к её преобразованию с помощью химических реакций или механического движения.

Первая идея, возникающая у каждого пользователя смартфона или владельца электромобиля: почему бы не использовать в промышленных масштабах огромные литий-ионные аккумуляторы? Попытки создания крупных накопителей такого типа уже есть. К примеру, сейчас Tesla занимается увеличением мощности (со 100 до 150 МВт) самого большого в мире литий-ионного хранилища электричества, собранного в 2017 году в штате Южная Австралия на Зелёном континенте. Оно состоит из литий-ионных батарей Tesla Powerpack, созданных для коммунальных и промышленных потребителей. Внутри 16 отдельных аккумуляторных блоков, каждый с изолированным преобразователем постоянного тока.

Мощность каждой из них достигает 130 кВт, а энергоемкость 232 кВтч. Южно-австралийское хранилище на основе Tesla Powerpack помогает сохранять энергию расположенной здесь же ветряной станции. При полной зарядке этот аккумулятор емкостью 129 МВтч может обеспечить электроэнергией до 30 тыс. домовладений.


Подпись: Каждый Powerpack это как кирпич, из которого строится хранилище энергии. К одному инвертору можно подключить от одного до 20 Powerpackов. Из таких блоков батарей и инверторов можно создавать хранилище огромной энергоемкости. Источник: Tesla

Однако помимо известных недостатков таких батарей, есть еще и такая: увеличивая до промышленного масштаба литий-ионные батареи, в такой же степени мы усиливаем проблему их утилизации. Поэтому оставаясь экологически чистыми в период работы, огромные аккумуляторы в будущем создадут угрозу для окружающей среды и хлопоты при их списании.

Другой способ преобразования энергии электролиз.
Поясним на примере нашей установки H2One, о которой мы уже рассказывали: солнечные батареи обеспечивают процесс электролиза воды, в результате которого выделяется водород; водород либо запасается, либо подается потребителю, причем водород может дать сразу тепло, механическую энергию или электричество при окислении в топливной ячейке. Проблема пока лишь в том, что пока энергии одной станции H2One хватает только небольшим объектам, например, железнодорожной станции в городе Кавасаки (Япония). Промышленные масштабы в будущем.

Наиболее простые по принципу, но сложные по воплощению варианты механические. Общая схема такова: электроэнергия в период пика выработки запасается с помощью накачки газа или воды в специальные резервуары, поднятия на высоту грузов или сжатия пружины. В период нехватки электричества энергия высвобождается механическим путем за счет обратной подачи вещества, груза или ослабления пружины. Принцип простой, экологически чистый, промышленно масштабируемый и очень долговечный. Именно поэтому, по данным Vygon Consulting, 95% накопителей энергии в мире это гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), использующие для хранения энергии лишь то, что дала нам природа воду и гористые ландшафты.

Кручу, верчу, намагнитить хочу

Впервые использовать воду и гористые ландшафты для накопления энергии придумали в Швейцарии. В 1909 году недалеко от города Шаффхаузен в одноименном кантоне была построена первая в мире гидроаккумулирующая станция Engeweiher мощностью 1,5 МВт. Воплощенный в той установке принцип работы ГАЭС сохранился в целом и в наши дни.

Станция состоит из насоса, двух резервуаров, размещенных на разной высоте, и турбины. Когда электроэнергия в избытке, насос закачивает воду в верхний резервуар. Когда электричества в сети не хватает, воду отводят в нижний накопитель через турбину, которая дает электричество. Простота и надежность этого принципа доказана временем, а также историей самой станции Engeweiher, которая работает до сих пор, её мощности оказались весьма кстати на фоне развития ВИЭ в Швейцарии.


Аккумулирующая гидроэлектростанция один из старейших возобновляемых источников энергии в мире. Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation

Следующий шаг в развитии технологии был сделан в 1930-е гг. Было понятно, что водяные турбины, соединенные с генераторами, могут работать с более высокой эффективностью, если регулировать их скорость вращения. Поэтому в 1930 году Toshiba разработала асинхронный гидрогенератор-двигатель мощностью 750 кВА, который был установлен на станции Ёсино в городе Канадзава (преф. Исикава, Япония). Скорость вращения турбины в нем могла изменяться для достижения максимальной эффективности выработки.

Однако широкого применения эта технология тогда не нашла, и впоследствии использовались в основном синхронные гидрогенератор-двигатели, которые работают с неизменной (синхронной) скоростью вращения, из-за чего нельзя менять и входную мощность. Это значит, что подстраивать работу станции под изменяющийся спрос (скажем, ночью, когда нужно тратить больше энергии на закачку воды и меньше отдавать её в сеть) было непросто снижалась эффективность либо закачки, либо выработки.

В 1990-м году компания Toshiba вновь обратилась к технологии асинхронного гидрогенератор-двигателя.: совместно с Токийской электроэнергетической компанией (TEPCO) на ГАЭС Ягасава была разработана и установлена первая в мире насосная установка с регулируемой скоростью, использующая двигатель-генератор с вторичным возбуждением переменного тока низкой частоты. Она управляется высокоскоростным и высокопроизводительным цифровым контроллером, который может изменять входную и выходную мощность гораздо быстрее, чем в обычных гидроагрегатах, что позволяет быстрее стабилизировать колебания мощности в сети, скажем, в случае аварийных ситуаций. С тех пор асинхронные генераторы-двигатели на ГАЭС стали применяться чаще, а сейчас являются наиболее перспективной моделью для гидроаккумуляции.


В июне 2014 года начала работать самая большая в мире насосная установка с регулируемой скоростью вращения и мощностью 475 МВА для четвёртого блока ГАЭС Кадзуногава (преф. Яманаси, Япония), которая имеет ещё и самую большую в мире высоту напора насоса (785 м) для одноступенчатой насосной турбины. Эта станция также управляется TEPCO. Источник: Toshiba Energy Systems Co., Ltd / YouTube

Гидроагрегат с переменной частотой вращения повышает КПД насосного и турбинного режима, увеличивая тем самым эффективность полного цикла ГАЭС, а также снижает вибрацию и механический износ системы. Более того, такая машина может моментально реагировать на резкие изменения в спросе на электроэнергию, связанные, к примеру, с использованием нестабильных возобновляемых источников энергии или при блэкаутах.


И сказали мы: Гидроаккумулирующие электростанции с асинхронным генератором двигателя, плодитесь и размножайтесь!. Источник: Абубакиров Ш. И. Опыт и перспективы использования асинхронизированных гидрогенераторов в проектах ОАО Институт Гидропроект // Гидроэнергетика. 2010. 2 (19).

В поисках баланса

Описанные решения, как можно видеть, имеют большой промышленный масштаб. Но насколько разумна такая централизация? И не лучше ли внедрять распределенные решения, которые могут решать вопросы выравнивания дисбалансов в системе электроснабжения? Ничего не мешает сочетать два этих подхода, объединяя в рамках одной системы энергоснабжения крупные накопители энергии и локальные, такие, которые строятся на базе индивидуальных батарей, установленных на конкретных объектах и даже в жилых домах.


Для решения таких проблем лучше подходят аккумуляторные батареи, особенно SCiBTM, разработанная Toshiba. В основе её анода оксид лития-титана (LTO), который позволяет добиться большей ёмкости, а также обеспечивает длительный срок службы, работу при низких температурах, быструю зарядку, высокую мощность на входе и выходе. Toshiba SCiBTM можно применять в самых разных областях: от небольших (кВт) стационарных накопителей для жилых помещений до автомобилей, автобусов, железнодорожных вагонов, лифтов, электростанций и крупномасштабных хранилищ энергии (МВт) для электрических сетей, интеллектуальных сетей и солнечных электростанций. Источник: Toshiba

Более того, отдельные локальные хранилища электроэнергии могут в свою очередь быть также объединены в крупные структуры виртуальные электростанции, о которых мы уже рассказывали в этом блоге. И такие решения уже реализуются.

К примеру, в Германии крупнейшая распределительная компания TenneT совместно с производителем домашних систем хранения электричества Sonnen объявила о создании своеобразного энергетического блокчейна: они планируют соединить домашние накопители энергии в сеть для выравнивания дисбалансов в энергетической системе на уровне страны. Однако пока число владельцев подходящих для этого накопителей гораздо меньше, чем хозяев домашних станций на ВИЭ.

Сочетание огромных хранилищ электроэнергии и небольших локальных, связанных воедино, как раз и поможет сгладить дисбалансы потребления и выработки, о которых мы говорили вначале, и минимизировать возможность блэкаутов.