Энергия для будущего

Какие факторы необходимо учитывать при сравнении разных источников энергии

Энергетика играет ключевую роль в решении многих серьезных проблем, с которыми сегодня сталкивается человечество. Без сомнения, любые источники энергии имеют свои преимущества и недостатки. Наиболее часто разные виды генерации сравниваются или с точки зрения экономических затрат, влияющих на стоимость киловатт-часа, или — в последние годы — с точки зрения количества парниковых выбросов, то есть воздействия на климат. Однако между источниками энергии есть различия и в других аспектах, которые оказывают долгосрочное системное влияние на людей, экономику и политику. Рассмотрим некоторые из них.

Эффекты явные и неявные

С экономической точки зрения полные затраты на производство электроэнергии представляют собой совокупность нескольких категорий. Прежде всего, это затраты, которые возникают при строительстве и эксплуатации электростанции, а также при передаче энергии. Однако есть еще одна широкая категория затрат, к которой относятся издержки, влияющие на благополучие как отдельных людей, так и групп населения. Эти издержки называют внешними или социальными. Они возникают в силу многих факторов, среди которых воздействие вида генерации на изменение климата и загрязнение воздуха, на землепользование и истощение ресурсов, на надежность энерго- и электроснабжения и даже на научно-техническое и экономическое развитие государства в целом.

Так, солнечные и ветростанции однозначно выгодны с точки зрения отсутствия выбросов парниковых газов и загрязняющих веществ. Однако не в каждом регионе есть достаточные природные условия (солнечные и ветровые ресурсы), которые позволят обеспечить необходимую эффективность работы таких электростанций. С точки зрения землепользования эти источники не всегда являются выгодными: СЭС и ВЭС для выработки сопоставимого количества энергии требуется в 100–200 раз больше земельных площадей, чем АЭС или станциям, работающим на ископаемом топливе. Кроме того, основной минус использования энергии солнца и ветра — нестабильность генерации, что требует дополнительных затрат на резервирование традиционных мощностей.

Таким образом, если воздействия, относящиеся к внешним издержкам, негативны, то они увеличивают величину полных затрат для той или иной технологии, если же влияние положительное, то эти воздействия должны вычитаться из общих издержек, так как они приносят несомненную, хотя и не всегда осознаваемую общественную выгоду.

Один из примеров таких положительных воздействий — роль различных отраслей и проектов в создании рабочих мест. Атомная энергетика имеет больший уровень трудозатрат по сравнению с другими энергетическими секторами. Классическая экономическая наука в общем виде рассматривает уменьшение количества персонала как конкурентное преимущество отдельной технологии или предприятия: отсутствуют затраты на персонал, то есть снижаются общие экономические издержки. Однако в современном понимании (учитывающем более комплексные внешние эффекты, которые выражаются не только в финансовых показателях) высокий уровень занятости способствует улучшению экономического и социального благополучия всего общества. При таком подходе во внимание принимаются не только количественные, но и качественные аспекты: при прочих равных условиях чем выше образование, квалификация (и, соответственно, зарплата) занятых работников, гарантии долгосрочной занятости, тем выше положительное влияние на экономику на всех уровнях: местном, региональном и национальном. Именно поэтому потенциал занятости на таких высокотехнологичных объектах, как АЭС, следует однозначно рассматривать как положительный внешний эффект. Кроме того, создание одного рабочего места на АЭС приводит к созданию 10 рабочих мест в смежных отраслях. Есть и другие положительные социально-экономические и инфраструктурные воздействия: от улучшения качества жизни в городах-спутниках АЭС до общих факторов развития научно-технического прогресса и роста межрегиональной и международной кооперации.

Чем дышать?

В последнее время в публичной риторике политиков и общественных деятелей часто звучат тезисы о негативном климатическом воздействии электростанций, работающих на ископаемом топливе, — как основной аргумент против развития подобных видов генерации. Но есть и еще одна не менее серьезная проблема, связанная с сжиганием ископаемого топлива, — загрязнение воздуха. По оценке ВОЗ, в мире ежегодное количество преждевременных смертей, вызванных загрязнением воздуха, составляет 7 млн, в ряде исследований называются другие цифры, в диапазоне от 4,3 до 8,7 млн (для сравнения: по оценкам университета Джона Хопкинса, пандемия COVID-19 унесла 7 млн жизней за четыре года, что воспринималось международным сообществом как чрезвычайная ситуация глобального масштаба). В недавнем исследовании коллектива ученых из Дании и США содержится предупреждение: к 2030 году рост смертности от загрязнения воздуха может увеличиться в два раза.

В работе, опубликованной в 2021 году в журнале Environmental Research, коллектив авторов из Гарвардского университета пришел к выводу, что выбросы от сжигания ископаемого топлива могут влиять на 18% от общего числа смертей в мире. По их мнению, в 2018 году в Восточной Азии 30,7% всех смертей оказалось связано со сжиганием ископаемого топлива, в Европе — 16,8%, в США — 13,1%. Не все эти показатели связаны с производством электроэнергии (так, по оценке ВОЗ, на долю электрогенерации приходится примерно 40% всех случаев), но порядок чисел не вызывает сомнения: речь идет о миллионах человеческих жизней. Всестороннее развитие низкоуглеродной энергетики и уменьшение использования ископаемого топлива в качестве источника энергии в быту, на транспорте и в промышленности позволит сохранить эти жизни.

Уголь по-прежнему лидирует

Несмотря на заметный рост генерации с использованием ВИЭ (в 2022 году доля ветровой и солнечной энергетики в мире впервые превысила 10%), пока все еще более трети электроэнергии в мире вырабатывается на угольных станциях и более пятой части — на газовых.

Мировое производство электроэнергии на угольных ТЭС в 2022 году увеличилось на 1,1%, достигнув исторического максимума в 10 186 ТВт·ч. По данным аналитического центра Ember, абсолютный прирост угольной генерации составил 108 ТВт·ч (это сопоставимо с годовой выработкой энергии из всех источников в Казахстане — стране с населением почти в 20 млн человек). Наибольший вклад в этот прирост внесли Китай и Индия, которые в прошлом году увеличили выработку на угольных ТЭС на 81 и 92 ТВт·ч соответственно. Значительный прирост (17 ТВт·ч) отмечен в Германии — стране, где в апреле 2023 года были закрыты три последние АЭС.

Ключевую роль в росте использования угля играет ввод новых генерирующих мощностей, преимущественно в Азии. Китай (с огромным опережением) и Индия, по данным Global Energy Monitor, в прошлом году ввели в эксплуатацию в два раза больше мощностей, чем все остальные страны мира. За первую половину текущего года Китай ввел угольные станции мощностью 17 ГВт (за прошлый год — 27,2 ГВт), Индия — 3,1 ГВт (за прошлый год — 2 ГВт). Третье место занимает Япония (1,8 ГВт), далее идут Пакистан и Вьетнам (более 1 ГВт каждый).

Китай, несмотря на заявленные климатические цели, остается мировым лидером по темпам развития угольной генерации. Сейчас в Китае строятся или имеют разрешения на строительство угольные электростанции мощностью 243 ГВт, вместе с объявленными и находящимися на стадии подготовки проектами это число возрастает до 392 ГВт, то есть мощности угольных ТЭС могут увеличиться на 23–33% по сравнению с уровнем 2022 года. В целом увеличение угольной генерации в Китае является плановым в рамках поддержки темпов промышленного роста, изменение тренда на сокращение производства электроэнергии на угле ожидается в период 2026–2030 годов. Климатическая стратегия Китая предполагает прохождение пика выбросов парниковых газов к 2030 году, поставлена цель достижения углеродной нейтральности к 2060 году.

Справедливости ради нужно отметить, что первое полугодие 2023 года закрепило тренд на рост популярности технологий «чистого угля». Речь идет о так называемых ультрасверхкритических ТЭС, в паровых котлах которых обеспечивается более высокая температура и давление, что повышает эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую: 43% для ультрасверхкритических угольных ТЭС против 34% для субкритических (по оценке Массачусетского технологического института). Чем выше КПД, тем меньше угля требуется для выработки одного и того же количества электроэнергии и тем ниже уровень выбросов. По данным Global Energy Monitor, к июлю 2023 года на долю ультрасверхкритических станций приходился 21% мощностей действующих по всему миру угольных ТЭС, в сегменте строящихся объектов этот показатель достиг 66%, среди запланированных проектов — 79%.

За первое полугодие 2023 года по всему миру было отключено от сети 10,3 ГВт угольных ТЭС, из них 5 ГВт — в США, 4 ГВт — в Австралии и Великобритании, а во всех остальных странах, включая Китай, — лишь 1,3 ГВт.

Какое топливо выгоднее?

При оценке преимуществ и недостатков разных видов генерации не всегда принимается во внимание такой аспект, как энергоемкость (или удельная теплота сгорания) топлива, то есть количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема топлива. Этот показатель важен еще и потому, что он влияет на ряд дополнительных факторов, например на количество образуемых отходов или транспортную составляющую.

1 кг энергетического урана обогащением 4% при полном расщеплении ядер урана-235 выделяет энергию, эквивалентную сжиганию примерно 100 тонн (это примерно два вагона) высококачественного угля. Общая загрузка активной зоны реактора ВВЭР-1000 — это 163 топливные кассеты, в которых содержится примерно 80 тонн диоксида урана, при этом топливный цикл современных ТВС составляет 12–18 месяцев. Угольная станция такой же мощности съедает около 9000 тонн угля… в сутки!

Следствием высокой энергоемкости (и, соответственно, компактности) ядерного топлива становятся значительно меньшая зависимость атомных станций от транспортной инфраструктуры, многократно меньшая доля транспортных расходов в цене киловатт-часа, намного меньшее влияние транспортной составляющей на окружающую среду.

Один из факторов, несомненно препятствующих широкомасштабному развитию атомной энергетики в мире, — проблема радиоактивных отходов. При этом количество твердых отходов, образующихся при использовании уранового топлива и угля, примерно одинаково (около 200 г на 1 кг топлива), однако с учетом приведенных выше данных по количеству используемого топлива на единицу мощности, а также доли атомной и угольной генерации в глобальном масштабе, можно составить представление об общем количестве образующихся отходов.

Атомная энергетика — единственная энерготехнология, использующая радиоактивный материал в качестве основного топлива. Однако вклад АЭС в дозовую нагрузку населения (при нормальной эксплуатации) составляет сотые доли процента, что сопоставимо с нагрузкой при полетах на самолетах. В то же время естественный фон, а также медицинские исследования и процедуры (в развитых странах) отвечают за десятки процентов дозовой нагрузки. Тем не менее к атомной энергетике приковано повышенное общественное внимание, и ионизирующее излучение от эксплуатируемого и отработавшего топлива системно контролируется. При этом многие упускают из вида, что угольные станции также являются источником радиоактивного излучения, так как природный уголь содержит следы урана и тория. Радиоактивные элементы концентрируются в зольной пыли, выбрасываемой при сгорании угля, как в атмосфере, так и на площадках для хранения угольных отходов. Правда, необходимо отметить, что общий уровень излучения, обусловленного работой угольных ТЭС, остается в пределах допустимых норм, а масштабы ущерба от него на несколько порядков ниже уровня других внешних воздействий, возникающих при использовании угля для производства энергии.

Кстати, если сравнивать разные источники энергии с точки зрения воздействия ионизирующего излучения, то обнаруживается малоизвестный широкой публике факт: наивысший уровень излучения на единицу выработки электроэнергии дает геотермальная энергетика (по данным Европейской экономической комиссии за 2021 год). В меньшей степени это касается жизненного цикла в фотоэлектрической энергетике, где радиационное воздействие на персонал наблюдается на этапе добычи полезных ископаемых для производства солнечных панелей.

Несмотря на то что солнечные и ветровые станции, не образующие выбросов в процессе эксплуатации, считаются абсолютно зелеными, человечеству в достаточно скором времени предстоит ответить на экологический вызов, заключающийся в необходимости утилизации (в идеале — рециклинге) материалов СЭС и ВЭС при их массовом выводе из эксплуатации. Срок их службы составляет 25–30 лет, и при сегодняшних темпах ввода мощностей, по самым скромным подсчетам, во второй половине текущего столетия в мире ежегодно будут образовываться миллионы тонн отходов от станций, выработавших свой ресурс.

В то же время мировая атомная отрасль ведет активную работу в направлении замыкания ядерного топливного цикла, то есть повторного вовлечения делящихся материалов из отработавшего ядерного топлива в фабрикацию свежего. И Россия здесь — один из признанных лидеров. С развитием технологий ЗЯТЦ атомная энергетика обещает перейти в разряд возобновляемых источников.

Чисто и безопасно

Ископаемое топливо по-прежнему доминирует в структуре энергопотребления, и чтобы сделать сравнение влияния разных источников энергии на жизнь и здоровье людей более наглядным, нужно смотреть не на абсолютные, а на относительные цифры. Портал Our World in Data систематизировал данные наиболее масштабных исследований по этой теме и сравнил разные источники, основываясь на предполагаемом количестве смертей на единицу выработки электроэнергии — 1 ТВт·ч (это примерное годовое потребление электроэнергии 150 000 жителей Евросоюза). Анализировались случаи смерти от загрязнения воздуха и несчастные случаи на протяжении всего жизненного цикла электростанции, то есть не только при эксплуатации, но и при добыче полезных ископаемых, транспортировке, техническом обслуживании. Какой бы безопасной ни казалась энергия солнца или ветра, уровень смертности от обоих этих источников не равен нулю, так как в общую статистику попадает небольшое количество людей, которые погибают в результате несчастных случаев, не связанных напрямую с производством электроэнергии, — от столкновения вертолета с ветротурбиной до прорыва резервуара с водой на фабрике по производству солнечных панелей.

Чтобы сделать этот анализ менее абстрактным, можно представить условный европейский город с населением 150 000 человек. Если этот город полностью обеспечивается энергией с помощью угля, то по меньшей мере 25 человек за год умрут преждевременно, в основном от загрязнения воздуха. Если же город будет снабжаться энергией только от АЭС, то, согласно статистическим данным, от этого преждевременно умрет 1 человек за 33 года. Анализ показывает, что атом как источник энергии вызывает смертей на 99,8% меньше, чем уголь, на 99,7% меньше, чем нефть, и на 97,6% меньше, чем газ. Ветер и солнце имеют сопоставимые с атомом показатели.

При этом очевидно, что на представления о высоких рисках атомной энергетики определяющее влияние оказали две аварии — в Чернобыле и Фукусиме. Несомненно, это были трагические события, однако среднестатистический потребитель энергии до сих пор в первую очередь думает о них, а не о миллионах людей, которые ежегодно умирают от использования ископаемого топлива. Столь же парадоксальным является повышенное общественное внимание к любым упоминаниям об инцидентах на АЭС и объектах ЯТЦ (хотя утечки радиации, а тем более человеческие жертвы на них крайне редки) при гораздо меньшем внимании к сообщениям об авариях на угольных шахтах, в которых, судя по анализу событий за последнее десятилетие, в среднем ежегодно гибнет несколько десятков человек. В этой связи очевидно, что одной из важнейших задач мировой атомной отрасли должна стать популяризация знаний о ядерных технологиях, без этого победить укоренившуюся радиофобию населения крайне сложно.

Кстати, еще одним источником, на который так же сильно влияют несколько крупномасштабных аварий, является гидроэнергетика. Более того, показатели безопасности ГЭС практически полностью определяются одним событием — прорывом плотины Баньцяо в Китае в 1975 году, в результате которого, по разным оценкам, погибло от 130 тыс. до 230 тыс. человек. Если исключить это событие, то гидроэнергетика по уровню безопасности сопоставима с ядерной, солнечной и ветровой.

Скорее всего, оценки вреда для здоровья от выбросов при использовании ископаемого топлива, приведенные на рисунке 2, очень консервативны. Они основаны на экстраполяции данных, полученных в Европе, где существуют и, очевидно, выполняются строгие нормы по наличию санитарной зоны вокруг объектов генерации и контролю за допустимыми нормами выбросов в атмосферу, в том числе при использовании транспорта с ДВС. Глобальный уровень ущерба от ископаемого топлива, вероятно, еще выше. Но на ключевой вывод это не влияет: ископаемое топливо, прежде всего уголь, наносит огромный ущерб благополучию людей, а атомная энергия и ВИЭ являются одинаково безопасными предпочтительными альтернативами.

Энергия роста

Несмотря на кризисные явления в мировой экономике, глобальная потребность в электроэнергии продолжает расти. В 2022 году спрос вырос почти на 2%, вернувшись к допандемийным темпам. Примерно такой уровень роста ожидается в текущем году, а на следующие два года прогнозируется рост спроса на уровне около 3%.

Пока человечество не в состоянии отказаться от использования ископаемого топлива, в том числе для производства электроэнергии, но странам и регионам необходимо выстраивать энергетические стратегии и формировать собственные эффективные энергокорзины с учетом различных экономических и технологических параметров.Заявления политических лидеров показывают, что мир готов развивать низкоуглеродную генерацию, и увеличение в энергобалансе доли атомной энергетики — мощного, надежного и стабильного источника — может сыграть в этом важную роль. По мнению Международного энергетического агентства, ВИЭ и атомная энергия будут доминировать среди источников, за счет которых будет обеспечиваться рост глобального электроснабжения в течение следующих нескольких лет.