Новая энергия

Основные тенденции развития мировой энергетики

На какие вызовы нужно отвечать энергетике, какую роль в ней займет атом и как сделать традиционные источники энергии экологически чистыми? Эти вопросы обсудили эксперты в ходе пленарной сессии «Энергетика будущего» Конгресса молодых ученых.

Больше электричества, меньше углеводородов

Эксперты выделяют несколько факторов, под влиянием которых будет развиваться энергетика будущего. Главную роль будет играть тенденция к декарбонизации — снижению выбросов СО₂, в первую очередь предприятиями промышленного и энергетического секторов. Доля углеводородов — природного газа и угля — будет сокращаться. «Это становится возможным благодаря снижению стоимости генерации на солнечных и ветроэлектростанциях. Например, в 2000 году во всем мире было установлено 18 ГВт таких электростанций. А по итогам 2020 года их установленная мощность превысила 1500 ГВт. За 20 лет мощность выросла практически в 100 раз. Думаю, в 2000 году никто не мог предсказать такой динамики», — подчеркнул Игорь Ермаков, директор департамента стратегического управления Росатома.

Однако солнце и ветроэнергетика не решат все проблемы энергоперехода. Директор направления научно-технических исследований и разработок Росатома Виктор Ильгисонис отметил: «Надо отчетливо понимать, что курс на декарбонизацию — это колоссальный вызов мировой энергетике. Примерно 30 % из всех энергозатрат человечества идут на производство электроэнергии. А вот 70 % — это тепло, которое производится путем сжигания топлива. Вся возобновляемая энергетика — способ производства только электроэнергии, не тепла. Причем это способ с весьма низким уровнем плотности энергии. Если бы каждый из нас потреблял в день по 1–2 кВт‧ч, то нам бы хватило ветряка или солнечной панели на крыше дома. Но если мы хотим жить не хуже, чем мы живем сейчас, сохранять промышленное производство, производить металлы, пластики и все, что связано с такой энергоемкой жизнью, — нам нужны существенно более высокие концентрации энергии в энергоисточниках. Нельзя Москву заставить жить за счет ветрогенераторов и солнечных батарей. Если бы мы все перешли на солнечные батареи, то более половины пригодной для жизни суши пришлось бы заставить этими батареями».

Еще один важный фактор, тесно связанный с декарбонизацией, — это общая электрификация: в мире появляется все больше гибридного и полностью электрического транспорта. При этом автомобили на углеводородном топливе повинны примерно в 15 % всех выбросов углекислого газа в атмосферу. Невозможно значимо снизить количество выбросов СО₂, не пересев на электрический и водородный транспорт. В России таких автомобилей пока мало, но их количество с каждым годом растет. Так, по данным Ассоциации европейского бизнеса, в 2021 году россияне купили тысячу новых электромобилей, что в 2,6 раза больше, чем годом ранее. Эксперты отмечают, что основной толчок для развития рынка как новых, так и подержанных электромобилей дала отмена таможенных пошлин при их ввозе на территорию ЕАЭС. Однако с 1 января 2022 года беспошлинный ввоз таких автомобилей отменен.

«Сейчас в мире около 10 млн электромобилей. Это число может показаться небольшим, однако в ряде стран, таких как Норвегия или Нидерланды, объем приобретения новых электромобилей в общей структуре уже составляет около 50 % и более. А на горизонте 2050 года мировой парк электромобилей превысит 3 млрд. И мы в России не должны отставать», — отметил Игорь Ермаков.

Третий фактор — урбанизация. Люди из деревень и сел переезжают в города, увеличивая спрос на промышленные товары и услуги, а также на электроэнергию, в том числе для частных нужд. По данным ВОЗ, сейчас более 55 % населения мира живет в городах, а к 2050 году этот показатель увеличится до 68 %.

За счет этих трех факторов в ближайшие годы спрос на электроэнергию будет расти. Наиболее ожидаемый прогноз: рост примерно в 2 раза к 2050 году.

Будущее за атомом

Атомная энергетика — базовый источник электроэнергии, который обеспечивает стабильные поставки электроэнергии вне зависимости от погодных условий. При этом АЭС позволяют производить не только электричество, но и тепло, водород, а также опреснять воду. Сейчас в мире работают 439 ядерных реакторов, которые производят 10 % всей электроэнергии. Для успешного энергоперехода эта цифра должна увеличиться в разы. «Атомная энергетика — одна из самых экологически чистых и безопасных, особенно с внедрением ЗЯТЦ — переходом на двухкомпонентную атомную энергетику на базе реакторов на тепловых нейтронах и быстрых нейтронах, с переработкой отработанного ядерного топлива и его возвращения в топливный цикл. А развитие атомных станций на базе реакторов малой и средней мощности позволит обеспечить электроэнергией и теплом удаленные регионы», — прокомментировал Игорь Ермаков.

Ядерное топливо — это самое высококонцентрированное с точки зрения запасенной энергии топливо, в миллионы раз концентрированнее углеводородного.

Виктор Ильгисонис считает, что АЭС могут стать основным производителем электроэнергии в ближайшие десятилетия, однако для этого потребуется приложить усилия: «Не стоит скрывать, что наибольший скепсис по отношению к ядерной энергетике связан с ее потенциальной угрозой. Поэтому когда мы говорим о стратегии развития ядерной энергетики, на которую мы хотим сделать ставку в ближайшие десятилетия, то мы говорим о трех составляющих: безусловной безопасности, экологичности в смысле минимизации или полного отсутствия отходов и экономической эффективности. И нацеливая усилия Росатома и нашей науки на реализацию этих трех пунктов, мы считаем, что ядерная энергетика до конца века будет являться не только необходимой компонентой, но и основной составляющей будущей мировой энергетики».

Новые тренды

Директор института энергетики СПбПУ Юрий Петреня напомнил, что сейчас подавляющая часть тепла и электроэнергии вырабатывается на энергоблоках мощностью выше 50–100 МВт. В этом направлении определился ряд трендов. Во-первых, достигла насыщения единичная мощность блоков. На протяжении десятилетий мощность повышали, чтобы снизить капитальные затраты на стройку. «Сейчас процесс наращивания мощностей остановился и дальнейшей гигантомании в этом плане, скорее всего, не будет. Даже скорее мы идем в сторону меньшей мощности, транспортных вариантов для удаленных районов. Аналогичная картина и в тепловой энергетике, там сейчас максимум по мощности установился в районе 1300 МВт», — пояснил Юрий Петреня.

Во-вторых, увеличивается срок эксплуатации оборудования, его ресурс. «Если раньше срок эксплуатации энергоблоков на ТЭЦ был 100 тыс. часов (15 лет), то сейчас их проектный ресурс — 200 тыс. часов (30 лет). Реальные же сроки — 300 тыс. часов и более. Аналогичная тенденция наблюдается и для АЭС — если раньше ресурс был 30 лет, то сейчас в новых ТЗ на новые блоки проектов АЭС-2006 фигурирует срок эксплуатации 60 лет. То есть те блоки, которые строятся сейчас, будут работать до 2080, а с учетом продления и до 2100 года», — добавил он.

И третий тренд, который касается энергоблоков тепловых электростанций, — повышение их эффективности, температуры. Температура в тепловых блоках 80 лет назад составляла 400°C, сейчас — 650°C. Также разрабатываются проекты на 700°C и более.

Энергобаланс и минимизация отходов

Главное, как считают эксперты, правильный энергобаланс: очень важно правильное соотношение различных источников энергии в зависимости от конкретных климатических условий, от развития крупных предприятий на тех или иных территориях. Если солнечные электростанции в Сахаре вполне уместны и справятся со своей задачей, то для энергообеспечения районов крайнего Севера потребуется другой источник энергии.

Также для успешного энергоперехода важно решить проблему радиоактивных отходов: минимизировать количество РАО и развивать двухкомпонентную энергетику, при которой реакторы на тепловых нейтронах производят недорогую электроэнергию, а реакторы на быстрых нейтронах обеспечивают дожигание долгоживущих радиоактивных отходов. «Это очень амбициозные задачи, которые связаны с принципиально новыми технологиями в области физики, химии и инженерии. Это фактически те же подходы, что и в сортировке бытового мусора: у нас есть ОЯТ, в котором представлены радионуклиды с разными периодами полураспада. Наша задача их фракционировать: что-то будет возвращено в энергетику, что-то будет дожжено в реакторах-«мусорщиках», а что-то пойдет на захоронение», — пояснил декан химфака МГУ Степан Калмыков.

Один из вариантов обращения с отходами — создание гибридных энергохимических комплексов. О них рассказал Юрий Петреня: «Это очень перспективное направление, которым занимаются в Штатах и в Китае, у нас оно пока в зачаточном состоянии, когда практически все вторичные продукты, возникающие в процессе генерации тепла или электроэнергии, преобразуются в химические вещества, востребованные в промышленности. Это такие мультитопливные станции, которые позволяют использовать все: от мусора до разного вида топлива. Это блоки большой мощности с очень высоким КПД».

Надежды на термояд

Физики часто шутят, что до появления термоядерной энергетики осталось 20 лет. И через 20 лет останется снова 20 лет. Это такая временнáя константа. В Советском Союзе работы по управляемому термоядерному синтезу начались в 1951 году, но коммерческого реактора все еще нет. И, как считает Виктор Ильгисонис, не будет в ближайшее десятилетие. «Уже почти 70 лет мы занимаемся термоядерным синтезом, и будем продолжать им заниматься в экспериментальном плане, пока человечество не решит, что ему действительно нужен термоядерный реактор. Сейчас все не так просто. Термоядерный реактор на экономическом поле должен будет вытеснить кого-то из уже существующих и имеющих большой капитал игроков, и этому должны быть крайне мощные посылы. Но никаких физических запретов для того, чтобы использовать термоядерную энергию в мирных целях нет. Это лишь вопрос техники и вкладываемых денег. Возможность протекания термоядерной реакции в лабораторных условиях продемонстрирована еще в 1990 годах, причем неоднократно — на разных крупных установках. Сегодня термоядерные исследования — драйвер создания и освоения новых перспективных технологий, и важно не выпасть из этого процесса», — пояснил эксперт.

Водородный бум

В последние годы у всех на слуху новое направление — водородная энергетика. Водород может прийти на смену традиционным видам топлива: газу и нефти. Эксперты отмечают, что к 2050 году его потребление может вырасти в 10 раз. Одно из перспективных направлений использования водорода — в качестве топлива для автомобилей на водородных топливных элементах. В основном расширение парка водородных автомобилей сейчас происходит в Азии (Китай, Япония, Республика Корея), хотя лидером по размерам такого парка остаются США.

Важно, что водород — не только источник энергии для транспорта, но и способ накопления энергии и регуляции работы энергосистемы, который можно использовать совместно с альтернативными источниками энергии. При недостатке спроса на энергию или ее перепроизводстве излишки могут расходоваться на производство водорода, а при повышении спроса или уменьшении производства наработанный водород можно использовать для генерации электроэнергии. Другой вариант применения водорода в энергетике — частичное замещение природного газа с использованием существующей газопроводной инфраструктуры. Не менее, а даже более важно применение водорода для декарбонизации промышленности — в металлургии, химическом производстве и других отраслях.

Однако само производство водорода требует больших энергозатрат. «Я являюсь большим сторонником использования водорода как энергоносителя и всячески пытаюсь способствовать развитию водородных технологий. Но мы должны понимать, что водород — это не исходное топливо, — объяснил Виктор Ильгисонис. — Водород сначала нужно произвести. И на это надо потратить энергию. В результате широкое внедрение водородных технологий потребует роста энергетических мощностей».

Для производства водорода можно применять, в частности, атомную энергию. Первый способ — это электролиз с использованием электроэнергии, вырабатываемой АЭС, второй — использование технологического тепла, вырабатываемого перспективным высокотемпературным газоохлаждаемым реактором (ВТГР).

Новые кадры для новой энергетики

Эксперты убеждены, что создать энергетику будущего невозможно без подготовки квалифицированных кадров в самых разных научных отраслях. В будущем будут востребованы специалисты по искусственному интеллекту, квантово-химическим вычислениям, синтетической органической химии, аналитической химии, радиохимии, химической технологии, различным направлениям физики и другим областям науки.

И.о. ректора Томского политехнического университета Дмитрий Седнев сделал акцент на вовлечении студентов в реальные проекты: «Сегодня уже не мир одиночек, не мир людей, которые могут в одиночку сделать большой серьезный проект. Необходимо правильное командообразование, правильное распределение ролей в таких командах: кому-то свойственна роль исследователя, кому-то роль инженера, кому-то руководителя. И каждый из этих людей должен иметь специфический набор компетенций. Все знания, которые приобретаются в университете, должны приобретаться не только через теорию, но и через деятельность. Поэтому включение команд студентов в реальные проекты, которые ведутся в стенах и университетов, и партнеров университетов, — тот прием, который должны использовать все ведущие вузы».

Именно командная, совместная работа специалистов из разных сфер позволит создать новые технологии и сделать атомную энергетику более конкурентоспособной и встроенной в общий энергобаланс страны. Виктор Ильгисонис, подводя итоги пленарной сессии, отметил важность стартовавшей в прошлом году комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации на период до 2024 года» для привлечения молодежи в науку: «Программа состоит из 5 федеральных проектов, направленных на научно-техническое развитие ядерной энергетики и смежных областей. Сам факт старта этой программы и начало этих работ — это не столько поддержка науки, сколько сигнал молодежи и обществу в целом, что государство готово вкладываться в науку и технологии в области перспективной энергетики, рассчитанной на ближайшие десятилетия».