УДК 621.22.01 МИРОВЫЕ ДОЛГОСРОЧНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

УДК 621.22.01
МИРОВЫЕ ДОЛГОСРОЧНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ
ЭНЕРГЕТИКИ
WORLD LONG-TERM TRENDS OF RENEWABLE ENERGY
К.С.Дегтярев
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»
E-mail: kir1111@rambler.ru
А.А.Соловьёв
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»
E-mail: a.soloviev@geogr.msu.ru
Ключевые
слова:
возобновляемые
источники
энергии,
ВИЭ,
производство
электроэнергии, атомная энергетика, анализ жизненного цикла, ребаунд-эффекты
Key words: renewable energy sources, RES, electricity production, nuclear energy, life cycle
assessment, rebound effects
Оценки
энергетических трендов за последние 30-35 лет свидетельствуют о
неоднозначности тенденций развития возобновляемых источников энергии. С одной
стороны, возобновляемые источники энергии (ВИЭ), демонстрируют мощный рост. По
данным [1] производственные мощности на ВИЭ (без учёта ГЭС) с 2000 по 2013 год
выросли
в 9,5 раз – с 57 ГВт до 543 ГВт , а доля ВИЭ в мировом производстве
электроэнергии с 1,7%. увеличилась более
возобновляемых источниках в настоящее время
сколько всеми электростанциями России.
1
чем в 4 раза. (рис.1,2). В мире на
вырабатывается столько же энергии,
Рис. 1. Рост электроэнергетических мощностей на основе ВИЭ (без учёта ГЭС) в 20002013 гг., МВт (график составлен авторами на основе данных IRENA)
Рис. 2. Мировое производство электроэнергии на основе ВИЭ в 1980-2012 гг. (график
составлен авторами на основе данных US EIA)
Вместе с тем, следует отметить и другие тенденции и закономерности. Производство
электроэнергии на ВИЭ с учётом гидроэлектроэнергии 1980 по 2012 год не выросло,
оставшись на уровне 21,9% и в 1980, и в 2012 году (рис 3).
2
Рис. 3. Доля ВИЭ (включая ГЭС) в мировом производстве электроэнергии в 1980-2012
гг. (график составлен авторами на основе данных US EIA)
Более того, с 1982-83 гг. по середину 2000-х гг. фиксируется падение доли ВИЭ в
мировой выработке электроэнергии до минимального уровня менее 20%, далее
сменившееся ростом. При этом, доля гидроэлектроэнергии, снижаясь до середины 2000-х,
в последующие годы остаётся неизменной. По итогам последних 30 лет рост доли
солнечной, ветровой, геотермальной и биоэнергии не более, чем компенсировал падение
доли гидроэнергии.
Одновременно с этим произошло снижение доли ископаемой энергии – с 69,7% в 1980
до 67,3% в 2012 году. Однако, произошло это за счёт роста электроэнергии,
вырабатываемой на АЭС – с 8,5% в 1980 году до 10,9% в 2012 году. Хотя удельный
процент
АЭС падает с середины 1990-х (пик в 17,6% от общемировой выработки
электроэнергии был пройден в 1996), по итогам последних 30-35 лет она выросла.
Соответственно, на этот же период, 1995-96 гг., пришёлся минимум доли ископаемой
энергетики в общей выработке электроэнергии – 61,8%-61,9%; за последние же 15-20 лет
она существенно выросла, почти вернув утраченные позиции. Падение доли атомной
энергии, таким образом, было компенсировано не за счёт ВИЭ, а за счёт ископаемой
энергетики. Падают темпы роста производственных мощностей электроэнергетики на
ВИЭ (без учёта ГЭС) и производства электроэнергии, начиная с 2009 года, а темпы роста
производства электроэнергии – с 2011 года (рис 4).
3
Рис. 4. Темпы роста электроэнергетических мощностей на ВИЭ (без ГЭС) в 2001-2013
гг. (график составлен авторами на основе данных US EIA)
В течение 2000-2013 гг. годовые темпы роста мощностей
(также ВИЭ без
гидроэлектроэнергии) составляли 11,4%-28,6% (в среднем 19%), а темпы роста
производства электроэнергии в – 6,3%-22,1% (в среднем 12,7%), т.е. в 1,5 раз ниже. В
результате с 2000 по 2012 производственные мощности выросли в 9,5 раз – с 57 до 543
ГВт, а годовое производство - с 249 до 1069 ТВтч, или в 4,3 раза. Средний коэффициент
использования установленной мощности ( КИУМ) электроэнергетических установок на
ВИЭ снизился с 50% до 26%, или почти в 2 раза (табл.1).
Таблица 1. Среднемировой КИУМ электроэнергетических установок на основе ВИЭ
(без ГЭС), 2000-2012 гг. (расчёт проведён авторами на основе сопоставления данных
IRENA по производственным мощностям и данных US EIA по выработке электроэнергии
за соответствующие годы)
Производствен
Год
Производство
ные мощности на
электроэнергии,
ВИЭ, МВт
ГВтч
Выработка,
кВтч, на 1 кВт
установленной
КИУМ, %
мощности
2000
57 126
248 809
4 355
49,7%
2001
63 647
264 434
4 155
47,4%
2002
73 236
294 985
4 028
46,0%
2003
84 459
318 539
3 772
43,1%
2004
95 404
354 357
3 714
42,4%
4
2005
113 446
391 373
3 450
39,4%
2006
132 776
436 202
3 285
37,5%
2007
157 279
495 281
3 149
35,9%
2008
193 367
560 458
2 898
33,1%
2009
248 644
646 672
2 601
29,7%
2010
309 599
765 402
2 472
28,2%
2011
386 001
934 506
2 421
27,6%
2012
464 821
1 068 763
2 299
26,2%
Таблица 2. Среднемировой КИУМ ветроэлектростанций, 2000-2012 гг. (расчёт
проведён авторами на основе сопоставления данных IRENA по производственным
мощностям и данных US EIA по выработке электроэнергии за соответствующие годы)
Производствен
Год
Производство
ные мощности на
электроэнергии,
ВИЭ, МВт
ГВтч
Выработка,
кВтч, на 1 кВт
установленной
КИУМ, %
мощности
2000
17 266
31 364
1 816
20,7%
2001
23 894
38 367
1 606
18,3%
2002
30 591
52 766
1 725
19,7%
2003
38 153
64 306
1 685
19,2%
2004
46 507
84 136
1 809
20,7%
2005
57 790
104 021
1 800
20,5%
2006
72 240
131 830
1 825
20,8%
2007
92 064
170 563
1 853
21,1%
2008
118 035
220 298
1 866
21,3%
2009
155 740
276 045
1 772
20,2%
2010
192 502
341 582
1 774
20,3%
2011
231 927
446 427
1 925
22,0%
2012
276 111
520 001
1 883
21,5%
Отдельно для ветроэнергетики наблюдается стабильная величина КИУМ – около 20%
(табл.2), для солнечной фотовольтаической электроэнергетики – снижение примерно в 2
раза – с 20%-24% до 10%-12% (табл.3).
5
Таблица 3. Среднемировой КИУМ солнечных PV электростанций, 2000-2012 гг.
(расчёт проведён авторами на основе сопоставления данных IRENA по производственным
мощностям и данных US EIA по выработке электроэнергии за соответствующие годы)
Производствен
Год
Производство
ные мощности на
электроэнергии,
ВИЭ, МВт
ГВтч
Выработка,
кВтч, на 1 кВт
установленной
КИУМ, %
мощности
2000
803
1 689
2 104
24,0%
2001
1 059
1 932
1 823
20,8%
2002
1 457
2 276
1 562
17,8%
2003
1 944
2 716
1 397
15,9%
2004
3 025
3 297
1 090
12,4%
2005
4 469
4 358
975
11,1%
2006
6 035
5 702
945
10,8%
2007
8 574
7 452
869
9,9%
2008
14 497
11 920
822
9,4%
2009
22 293
19 824
889
10,2%
2010
38 683
31 674
819
9,3%
2011
68 487
61 031
891
10,2%
2012
96 366
96 352
1 000
11,4%
Таким образом, наблюдается
неоднозначная ретроспективная картина развития
возобновляемой энергетики и признаки неопределённости относительно дальнейшего
развития. Следует добавить, что с 1980 по 2012 год общее мировое годовое производство
электроэнергии выросло с 8018 ТВтч до 21532 ТВтч – на 12514 ТВтч или в 2,7 раза.
Средние темпы роста составляли около 3% с колебаниями от 0,7% до 5,7% до 2008 года,
резким падением до -0,3% в 2009 году, резким ростом – на 7,0% в 2010 году и
последующим снижением темпов роста. В среднем за период фиксируется слабое
увеличение темпов роста.
6
Рис. 5. Темпы роста мирового производства электроэнергии из всех источников, %,
1980-2012 (график составлен авторами на основе данных US EIA по выработке
электроэнергии)
Мировое годовое производство энергетики на основе ВИЭ без учёта гидроэнергии за
1980-2012 гг. выросло на 1038 ТВтч. Таким образом, доля ВИЭ в абсолютном росте
производства электроэнергии составляла, в среднем, около 8%.
В 2011-2012 г мировое производство электроэнергии выросло на 349 ТВтч, в т.ч. за
счёт ВИЭ (без ГЭС) – на 134 ТВтч, или 38% в общем росте; то же, за счёт ВИЭ с учётом
ГЭС – на 157 ТВтч, или 45%.
С одной стороны, мы наблюдаем тенденцию к увеличению доли ВИЭ в приросте
производства (и, соответственно, потребления) энергии.
С другой стороны, ВИЭ дают часть прироста производства электроэнергии, т.е. их
развитие идёт в общем контексте продолжающегося увеличения мощностей, производства
электроэнергии и спроса на неё.
Таблица 4. Структура производства энергии по источникам, 1973 и 2012 [4]
1973
Энергонос
итель
производст
во энергии,
млн. тонн
нефтяного
2012
Доля в
мировом
производстве
7
производст
во, млн. тонн
нефтяного
эквивалента
Доля в
мировом
производстве
эквивалента
Уголь
1 502
24,6%
3 878
29,0%
Нефть
2 815
46,1%
4 198
31,4%
977
16,0%
2 848
21,3%
5 294
86,7%
10 924
81,7%
55
0,9%
642
4,8%
110
1,8%
321
2,4%
641
10,5%
1 337
10,0%
6
0,1%
147
1,1%
6 106
100,0%
13 371
100,0%
Газ
Всего
ископаемые
углеводороды
Атомная
энергия
Гидроэнергия
Биотопливо и
мусор
Другие ВИЭ
Всего
В целом на основании приведенных аналитических данных можно заключить, что
возобновляемые
источники
энергии
осуществляя
дополняющую
функцию,
стимулируемую общим ростом спроса на энергию на данный момент не претендуют о
замещение энергетики на невозобновляемых энергоносителях, по-прежнему, играющих
основную роль в мировом энергообеспечении. В случае снижения общего спроса на
электроэнергию и темпов роста её производства в ближайшие десятилетия перспективы
возобновляемой энергетики выглядят неопределёнными.
Ситуация с энергопотреблением в целом (не ограничиваясь электроэнергетикой) ещё
более неопределённа – с 1973 по 2012 год доля ВИЭ в мировом производстве энергии
практически не изменилась (табл. 4) – доля биотоплива и отходов упала с 10,5% до 10,0%,
остальных ВИЭ – выросла с 0,1% до 1,1%. Кроме того, здесь мы также наблюдаем, что на
данном временном интервале сокращение доли ископаемых углеводородов в мировом
энергобалансе было связано, главным образом, не с возобновляемой, а с атомной
энергетикой.
Таким образом, энергетика на основе ВИЭ, и электроэнергетика, и тепловая, растёт
вместе с энергетикой в целом, но, не замещая её, и общее замедление роста энергетики
может негативно сказаться и на её возобновляемой составляющей.
8
Параллельно в последние годы активнее разворачивается тема непреднамеренных
последствий (unintended consequences) возобновляемой энергетики
в
их числе
жизненные циклы ВИЭ и эффекты отскока [3].Один из ярких примеров эффекта отскока в
жизненном цикле ВИЭ связан с биоэнергетикой – выращиванием энергетических культур
(рапс, подсолнечник, масличная пальма) и дальнейшим использованием биотоплива в
смеси с традиционным дизельным топливом на транспорте. Интенсивная культивация
рапса требует большого количества азотных удобрений, что ведёт к росту эмиссии
мощного парникового газа – двуокиси азота (N2О), являющейся, кроме того,
разрушителем озонового слоя.
Например, большие плантации масличной пальмы,которые создаются на торфяноболотных землях и на месте тропических и экваториальных дождевых лесов вызывают
быстрое разрушение почвенного покрова, нарушение естественного режима поглощения
углерода и, соответственно, рост поступления парниковых газов (СО2 и СН4) в атмосферу.
Масштабный переход от ископаемого к биотопливу может не уменьшить, а даже
увеличить эмиссию парниковых газов до значительных величин близких к критическим
значениям..
Другой, пока практически неизученный аспект – возможное снижение общего альбедо
(отражающей способности) Земли при масштабном распространении энергетических
культур, что, теоретически, может стать фактором потепления климата. Масштабное
распространение энергетических монокультур снижает биоразнообразие, как прямо, так и
косвенно, через ухудшение условий обитания многих видов растений и животных. На
стадии эксплуатации – сжигания биотоплива (на транспорте и энергетических станциях),
обычно производимого в смеси с ископаемым топливом, также образуются, как
выясняется, новые химические соединения, несущие как токсическую, так и парниковую
опасность.
В солнечной энергетике основные экологические риски связаны с использованием
большого количества токсичных и взрывных компонентов при изготовлении солнечных
батарей. В частности, солнечные батареи содержат теллурид кадмия (CdTe), сульфид
кадмия
(CdS), арсенид галлия (GaAs); в процессе производства используется фтор,
создающий ряд токсичных соединений.
Это создаёт проблемы сначала на стадии
производства, потом – на стадии утилизации батарей, отработавших свой ресурс. Другая
проблема производства солнечных батарей – большие объёмы потребления воды.
В гидроэнергетике опасность роста эмиссии парниковых газов, отравляющих и
загрязняющих веществ может быть связана с формированием застойного режима в
водохранилищах при плотинах ГЭС. В целом, «эмиссионная ёмкость» различных типов
9
энергетики в рамках их жизненных циклов, измеряемая в единицах эмиссии эквивалента
СО2 на единицу производства энергии (гСО2экв./Квтч) резко различается [4]
Анализ жизненного цикла даёт следующие показатели эмиссии для разных типов
производства электроэнергии (в гСО2экв./Квтч): Ветряная – 12 гСО2экв./Квтч; Атомная – 12;
Приливная – 15; Гидравлическая – 20; Океаническая волновая – 22;Геотермальная –
35;:Солнечные концентраторы – 10;Фотовольтаические батареи – 40;Биоэнергетика –
230;Газовая – 490;Угольная – 820.Речь, в данном случае, идёт об очень грубых
усреднённых оценках. В конкретных случаях, например для ветроэнергетики, разброс
может составлять от 2 до 80 гСО2экв./Квтч. Для ГЭС показатель гСО2экв./Квтч может
достигать 180, для фотовольтаики – более 150. В свою очередь, нижние значения для
электростанций на ископаемом топливе -200-300 гСО2экв./Квтч. Однако очевидно, что в
среднем показатели ВИЭ на порядки лучше по сравнению с энергетикой на ископаемых
углеводородах. Интегральный показатель отрицательного эффекта данного вида
энергетики для общества и среды – внешние, или экстернальные издержки .
Для стран ЕС диапазон внешних издержек производства электроэнергии (в
€центов/кВтч) для различных источников энергии оценён в следующих величинах [6]:
Уголь – от 2 до 15 €центов/кВтч;Нефть – от 3 до 11;Газ – от 1 до 4;Атомная энергия – от
0,2 до 0,7;Биомасса – от 0 до 5;Гидроэнергия – от 0 до 1;Солнечная (фотовольтаическая)
энергия – 0,6;Ветер – от 0 до 0,25.
Для Германии внешние маржинальные (переменные) издержки производства
электроэнергии оцениваются в следующие величины (в €центов/кВтч) [ 3]:Уголь –
0,75;Газ – 0,35;Атомная энергия – 0,17;Солнечная – 0,46;Ветряная – 0,08;Гидроэнергия –
0,05.
Здесь мы видим повторение ситуации с эмиссионной интенсивностью энергетики ВИЭ несут, в среднем, заметно меньшие издержки для общества, чем получение энергии
из ископаемого сырья; в то же время, атомная энергетика конкурентоспособна с ВИЭ в
этом плане.
Выводы
Тенденции развития энергетики на основе ВИЭ в последние 30-35 лет показывают
неоднозначную картину, из которой нельзя сделать безусловного вывода об успешности
возобновляемой энергетики и её перспективах.
В частности, доля ВИЭ с учётом ГЭС в мировом производстве электроэнергии с 1980
по 2012 год не выросла, оставшись в итоге на уровне около 22%. Рост электроэнергетики
10
на ВИЭ без учёта гидроэлектроэнергетики в итоге не более, чем просто компенсировал
падение доли гидроэнергетики в энергобалансе.
За период с 1973 по 2012 год доля ВИЭ в общемировом энергобалансе осталась почти
неизменной, уменьшившись с 10,5% до 10,0% для биотоплива и отходов и увеличившись
с 0,1% до 1% для остальных ВИЭ.
Доля атомной энергии в мировом производстве электроэнергии с 1980 по 2012 год
выросла с 8,5% до 10,9%, а в мировом энергобалансе с 1973 по 2012 год она выросла с
0,9% до 4,8%.
За тот же период произошло снижение доли ископаемого топлива: в производстве
электроэнергии с 1980 по 2012 год – с 69,7% до 67,3% и в мировом энергобалансе с 1973
по 2012 год – с 86,7% до 81,7%.
Это произошло, главным образом, не за счёт ВИЭ, а за счёт атомной энергетики. При
этом, с 1996 года, когда доля АЭС в мировой выработке электроэнергии составляла
максимальную величину – 17,6%, идёт её снижение. Снижение доли АЭС, в свою очередь,
компенсировалось ростом не возобновляемой, а ископаемой углеводородной энергетики.
Её доля выросла с минимума 61,8% в 1996 году до 67,3% в 2012; таким образом,
ископаемая углеводородная энергетика вернула себе большую часть позиций, утраченных
с 1980 по середину 1990-х.
Рост энергетики на основе ВИЭ в период с 1970-х по текущее время происходил в
общем контексте увеличения мирового спроса на энергию и роста её производства. Рост
производства возобновляемой энергии всё это время составлял и до сих пор составляет
некоторую часть общего прироста производства энергии. Таким образом, есть основания
говорить о ВИЭ как дополнении к конвенциональным энергоносителям, но не о
замещении их возобновляемыми источниками.
При этом, падают темпы роста производственных мощностей электроэнергетики на
ВИЭ (без учёта ГЭС) и производства электроэнергии, начиная с 2009 года (рис.4), а темпы
роста производства электроэнергии – с 2011 года. Кроме того, прирост производства
электроэнергии на ВИЭ в 2000-2013 гг. отстаёт от прироста производственных
мощностей. С 2000 по 2012 производственные мощности выросли в 9,5 раз – с 57 до 543
ГВт, а годовое производство - с 249 до 1069 ТВтч, или в 4,3 раза. Средний КИУМ
электроэнергетических установок на ВИЭ снизился с 50% до 26%, в т.ч. для
ветроэнергетики он остался практически неизменным на уровне около 20%, а
солнечной фотовольтаической электроэнергетики снизился с 20%-24% до 10%-12%.
11
для
Таким образом, фиксируются признаки торможения роста энергетики на основе ВИЭ
и неопределённость её перспектив в случае замедления темпов увеличения спроса на
энергию в целом.
Параллельно
с
этим
более
активно
поднимается
вопрос
о
фактически
зафиксированных и вероятных в будущем отрицательных эффектах (в т.ч. экологических)
возобновляемой энергетики (unintended consequences of renewable energy). В частности,
небесспорным оказывается преимущество ВИЭ с точки зрения сдерживания эмиссии
парниковых газов и загрязняющих веществ.
В то же время, высокая экологическая эффективность и ключевая роль в сокращении
доли энергетики на ископаемых углеводородах (и, соответственно, сокращении эмиссии)
фиксируется для атомной энергетики, несмотря на тяжёлые удары по её репутации,
нанесённые авариями на АЭС в Чернобыле в 1986 и Фукусиме в 2011.
Вероятно, в будущем следует ожидать сокращение темпов роста энергетики на основе
ВИЭ и преобладания более жёстких и прагматичных подходов к её развитию с
тщательным выбором и поиском наиболее экономически и экологически эффективных
вариантов. Отметим, что перспективной с этих позиций выглядит, в частности,
водорослевая энергетика.
Возможно восстановление позиций атомной энергетики, исходя из её экологической
эффективности в целом, в сочетании со способностью решать масштабные энергетические
задачи, что на данный момент нельзя сказать о ВИЭ, за исключением гидроэнергетики,
потенциал которой далеко не исчерпан, и в отношении которой позиции также нуждаются
в пересмотре в лучшую сторону.
Представляется, что России в своих планах развития энергетики на основе ВИЭ
следует учесть накопленный мировой опыт и тенденции, принимая в расчёт их
неоднозначность.
Перспективной нишей для развития энергетики на ВИЭ в нашей стране является
малая энергетика, ориентированная на сельское хозяйство, небольшие населённые
пункты, индивидуальных потребителей, что уже демонстрирует опыт ряда российских
регионов. Потенциально это огромный рынок, состоящий из десятков миллионов
небольших потребителей, в сумме способный дать значительные объёмы генерации.
Отметим также, что проекты создания крупных энергетических станций на ВИЭ (в
частности, ветропарков) в ведущих странах Северной Америки, Западной Европы и
Восточной Азии с созданием для них режима определённых преференций направлен, в
том числе, на поддержку отечественных производителей энергетического оборудования в
этих странах.
12
В нашей стране подобные крупные проекты предполагают импорт оборудования за
отсутствием собственных производств, что будет означать поддержку уже зарубежного
производителя. В то же время, в сфере малой энергетики в России
перспективные
разработки,
способные
занять
свою
нишу,
и
существуют
представляется
целесообразным сконцентрировать поддержку именно на данном направлении.
Список литературы:
1. Global Atlas for Renewable Energy: Overview of Solar and Wind Maps 2014 -IRENA. URL:
http://resourceirena.irena.org/gateway/dashboard/
2.
World
Energy
Outlook
2014.
–
IEA.
[Электронный
ресурс]
URL:
//http:www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyWorld2014.pdf
3. Andersen O. Unintended Consequences of Renewable Energy. Problems to be solved –
London, Springer-Verlag, 2013
4. Schlomer S., T. Bruckner, L. Fulton, E. Hertwich, A. McKinnon, D. Perczyk, J. Roy, R.
Schaeffer, R. Sims, P. Smith, and R. Wiser, 2014: Annex III: Technology-specific cost and
performance parameters. In: Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Contribution
of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate
Change
5.[Edenhofer, O., R. Pichs-Madruga, Y. Sokona, E. Farahani, S. Kadner, K. Seyboth, A. Adler, I.
Baum, S. Brunner, P. Eickemeier, B. Kriemann, J. Savolainen, S. Schlomer, C. von Stechow, T.
Zwickel and J.C. Minx (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and
New York, NY, USA.
6. European Commission [Электронный ресурс] URL:
http://ec.europa.eu/research/energy/pdf/externe_en.pdf
7. Дегтярев К., Соловьев А. Оценка потенциала развития малой автономной энергетики на
возобновляемых источниках в Республике Калмыкия // Сборник трудов молодых ученых,
аспирантов и студентов Региональной студенческой научно – практической конференции
Природно-ресурсный потенциал Прикаспия и сопредельных территорий: проблемы его
рационального использования. — Изд-во Калм.ун-та Элиста, 2014. — С. 34–53.
13