Лекция в LMU (Мюнхенский университет Людвига-Максимилиана)

Профессор, доктор, почетный доктор (mult.) Ханс-Вернер Зинн, президент ifo Institut (Мюнхен).

16.12.2013





Парниковый эффект

Нет сомнений, что парниковый эффект существует, и глобальное потепление действительно происходит и представляет собой серьезную опасность для человечества.

Он действительно есть!

Данные анализа содержания углекислого газа в пробах, полученных в результате бурения в Антарктиде на глубине 3200 метров, дают возможность заглянуть в историю атмосферы на 800 тысяч лет назад. В содержащихся во льду пузырьках содержится атмосфера того времени, и ее можно проанализировать. На основе данных изотопного анализа, можно получить точные данные о температуре в те времена и составе атмосферы.
 

Синий график демонстрирует содержание CO2 в атмосфере последних 800 тысяч лет. Желтой точкой обозначено сегодняшнее значение.

Нет никакого сомнения, что имеет место массивный рост содержания CO2 в атмосфере, и у него нет иного объяснения, кроме антропогенного влияния. Виной тому — мы с вами и индустриализация.

На втором графике, мы видим изменение средних годовых температур последних 800 тысяч лет, полученных из тех же проб. И если в доиндустриальный период мы имели среднюю температуру 13,5 градусов, то сегодня она составляет уже 14,5 градусов. То есть потепление на один градус за время индустриализации уже произошло.


Дешевая возобновляемая природная энергия

Мы пытаемся получать возобновляемую энергию двумя путями: с помощью солнечных батарей, которые установлены почти на всех крышах, или с помощью ветряков.

Это попытка сделать хоть что-то через эти два пути. И звучит все действительно хорошо — солнце не выставляет нам счетов.

Солнечная энергия бесплатна и экологически чиста, почему бы нам не переключиться на нее?

Нет сомнения в том, что мы должны отказаться от традиционных форм получения энергии в пользу бесплатной и безопасной солнечной энергии. Вот что говорят на эту тему немецкие политики:

 

В реальности же EEG-налог (акциз на электроэнергию, направляемый на развитие альтернативной энергетики) рос взрывными темпами.
 

EEG в 2003 году составлял 0,4 цента за кв/час, в 2013 году он составлял уже 5,28 центов за кв/час, и это платит каждый потребитель. В сумме это — 13,3 миллиарда евро дополнительных издержек для потребителей в год, относительно того, сколько стоит нормальная электроэнергия на рынке (примерно 200 евро на жителя Германии в год).

В следующем 2014 году уже предусмотрен рост EEG до 6,24 цента за киловатт-час.

По подсчетам энергетического концерна RWE это означает, что гарантированные субсидии только за солнечные батареи, установленные до 2010 года, составят более 100 миллиардов евро. (Олимпиада в Сочи вместе с инфраструктурными проектами обошлась по самым смелым оценкам в сумму менее 40 миллиардов евро).

Получается, что 13,3 миллиарда евро, это совсем не один шарик мороженного в месяц, как нам обещали, а как минимум один в день. И если мы отключим все атомные электростанции, то это будет уже не один шарик в день, а один в час.

Ок, мы не умрем в результате, но это очень недешево.


График ниже демонстрирует, что уже случилось с ценой на электроэнергию в Германии и Франции.

Если в Германии киловатт-час стоит в среднем 29,2 цента, то во Франции — 14,7. (В Москве 5,5 центов). То есть, во Франции электроэнергия вдвое дешевле.
 

Такая разница получается в результате того, что в Германии доля государственных сборов и налогов в стоимости электроэнергии значительно выше, чем во Франции. Существенная доля этих налогов — это упомянутый выше EEG-акциз, собираемый в рамках закона о развитии альтернативной электроэнергии (зеленая часть графика).

До сегодняшнего дня промышленные предприятия не платили EEG-акциз. По этой причине протест против этих сборов был весьма ограниченным. Но ситуация скоро изменится, так как ЕС начал процесс против Германии, в соответствии с которым данное исключение для промышленных предприятий будет отменено. Это приведет к обострению политического протеста против EEG. Нормальные потребители еще способны это проглотить в результате зеленой пропаганды, которая царит в стране. Но промышленность одурачить не удастся.


Цены на электроэнергию в сравнении с другими европейскими странами:
 

Германия находится на втором месте после Дании по стоимости электроэнергии. В Дании, как и в Германии активно развивается альтернативная энергетика, там очень много ветряных генераторов. Они идут по тому же пути.

Цена электроэнергии — это один из факторов конкурентоспособности страны. Совсем недавно крупный химический концерн отказался от строительства завода в Германии и решил строить в США, потому, что там электроэнергия в три раза дешевле и цена на электроэнергию фиксирована на следующие 30 лет.

Но самая большая проблема в том, что EEG полностью неэффективен в борьбе с эмиссией углекислого газа. Дело в том, что объем эмиссии определяется в Брюсселе, и если мы не производим выброс, замещая его экологически чистой энергией, то наш сертификат продается на бирже в другие страны, например в Польшу. Каждая тонна углекислого газа, которую мы экономим за счет субсидий в альтернативную энергетику, производится в аналогичном объеме в другой стране ЕС. Для того чтобы это понять, не нужно быть экономистом, но общественность на этот счет целенаправленно вводят в заблуждение.


Фукусима и отказ от атомной энергии

Авария на Фукусиме — событие, которое всех нас привело в ужас и привело к тому, что мы теперь хотим выйти не только из традиционной энергетики, но и из атомной. И тут у нас есть одна проблема.


Давайте сначала посмотрим, сколько атомных электростанций существует в мире.
 

Всего действующих — 378 (красный). В Японии 44 на ремонте (серые), но они должны скоро войти в строй.

Желтым цветом отмечены атомные электростанции, которые сейчас строятся в разных странах. Особое внимание стоит уделить Китаю. В Китае каждый месяц запускается новая АЭС и каждую неделю новая ТЭЦ мощностью около гигаватта.

Фиолетовым цветом отмечены планируемые АЭС, розовым — планируемые, которые должны быть построены до 2030.

Кроме того, некоторые АЭС сейчас ликвидируются. Они отмечены на графике зеленым цветом.

И что особенно бросается в глаза — это три страны — Германия, Испания и Бельгия — это единственные страны, которые до 2020 года хотят отключить все АЭС.

Не похоже, что остальной мир собирается последовать нашему примеру. Мы немцы часто думаем, что мы знаем, какой путь верный и маршируем куда-то вперед, думая, что все следуют за нами. Но иногда имеет смысл оглянуться, и посмотреть, идет ли за нами хоть кто-то.

В других странах есть другое мнение, особенно у наших западных соседей — Франции.


На графике ниже исследование дефицита производства электроэнергии от 2010 года (Германское агентство по исследованию энергетики) с учетом решения о выходе из атомной энергетики.
 

 

До Фукусимы мы имели производство атомной энергии в размере 21 гигаватт на 15 АЭС (синяя часть графика). Производство составляло чуть больше гигаватта на каждой АЭС. И как видно, к 2011 году, мы уже значительно сократили производство атомной энергии, к 2022 году производство должно быть прекращено полностью.

Далее (голубым) мы видим традиционные электростанции, включая ГЭС.

Желтым отмечены строящиеся электростанции традиционного типа.

Розовым — запланированные к строительству электростанции традиционного типа.

Фиолетовым отмечена регенеративная энергетика, в первую очередь био-энергетика. Солнечная и ветровая энергетика тоже учтены в этой фиолетовой части графика, но составляет лишь незначительную ее часть.

Зеленым отмечена Когенерация, которая на данный момент запланирована.

В сумме, в результате развития, образуется дефицит в размере 18 гигаватт электроэнергии до 2030 года. И этот дефицит придется каким-то образом заполнять.

Теперь нужно попытаться понять, как выглядит ситуация сегодня. Нельзя сегодня сказать, что в Германии нет регенеративной энергетики. Весь север Германии утыкан ветрогенераторами, а крыши домов на юге, солнечными панелями. Мы делаем очень многое, но каков итог? Какова доля регенеративной энергетики в конечном потреблении?


На графике ниже представлена структура конечного потребления энергии в Германии по данным ifo-institut. (На графике отображена вся энергия, а не только электроэнергия)
 

Серым внизу отмечена энергия, получаемая за счет сжигания традиционных энергоносителей: уголь, газ, мазут, бензин, идущая на производство электроэнергии, отопление домов и транспорт. Доля этих источников энергии составляет 84,1% в потребления Германии.

Энергия, получаемая из АЭС составляет довольно небольшую часть — 3,3%.

Солнечная энергетика — 1%

Ветрогенерация — 1,8%

Суммарная доля солнечной и ветровой энергии — всего 2,8%.

Далее, мы имеем электроэнергию, производимую на ГЭС, заводах по сжиганию мусора и при сжигании биомассы.

В целом, потребление электроэнергии составляет всего пятую часть потребляемой в Германии энергии.

Если считать долю солнечной и ветроэнергетики в производстве электроэнергии, то результат будет выглядеть лучше — около 15%.

Общая доля регенеративной энергии в конечном потреблении, включая солнечную, ветровую, биоэнергетику, геотермию и прочее, составляет 12,2%.

Выглядит так, что мы уже почти заменили атомную энергетику альтернативной. 2,8% это уже почти 3,3% и мы почти у цели. Но тут стоит отметить, что 2,8% это не гарантированная, а средняя энергогенерация. Гарантированная часть от этого — это всего-навсего одна седьмая, то есть примерно 0,4%. То есть, это поток энергии не стабилен.

Реальную же проблему представляет собой это кусок из традиционных источников энергии в размере 84%, которые выбрасывают CO2 в атмосферу. На его примере видно, как мало мы достигли, особенно если сравнить с тем, сколько было построено солнечных батарей и ветрогенераторов. Это особенно хорошо заметно, если ехать через Германию. При этом, от того, чтобы реально сократить эмиссию CO2 мы далеки, как от звезд.


Помогут ли электромобили?

На первый взгляд, идея с электромобилями кажется очень интересной — они совсем не производят CO2. Но если подумать: мы хотим отключить электроэнергию и хотим электромобили. Возможно ли это сделать одновременно? Мне кажется, тут пропущено какое-то логическое звено.

Даже без электромобилей у нас хватает проблем с электрообеспечением. Мы не Франция, которая производит 70% электроэнергии на АЭС, у них электроэнергия дешевле. И нет ничего удивительного, что они сейчас запустили бюрократическую машину в ЕС, чтобы протолкать свои электромобили против воли рынка. Вполне возможно, чтобы в качестве дополнительного эффекта ограничить немецкую автоиндустрию.

Это, в общем, все понятно, но не поможет нам здесь, если мы хотим отключить АЭС.

Проблема в том, что производство чистой электроэнергии составляет 2,8%, а потребление энергии транспортными средствами — 26,6%.
 

У нас проблема с тем, чтобы заменить 3,3% энергии, производимой на АЭС, а мы при этом хотим перевести автомобили на электричество, которое тоже должно быть возобновляемым. Это довольно амбициозная цель.


Энергия ветра

Главная проблема ветрогенерации — огромная потребность в площади.

Мы произвели расчет площади, занимаемой 150 метровыми ветрогенераторами (самые крупные, применяемые на суше), необходимой для замены одного реактора АЭС Библис под Франкфуртом. Для этого понадобится 6800 ветрогенераторов. Для чего нужны огромные площади.


Точка в центре — площадь занимаемая реактором АЭС, каждый пункт — один ветрогенератор, установленный с учетом минимальной предписанной дистанции.
 

Чтобы обеспечить Германию энергией ветра на 100% придется плотно заставить ветрогенераторами территорию всей Баварии (карта ниже позволяет оценить масштаб):

 

Это важная тема — энергия бесплатна, но ее нужно собирать. Этой проблемы нет у других — традиционных источников энергии, где энергия поступает на электростанцию в концентрированном виде. В ситуации с гидроэнергетикой природа сама собирает энергию, направляя маленькие ручейки в реки, и нам нужно только преобразовать энергию в одном месте. С солнечной энергией и энергией ветра весь процесс сбора энергии нам придется делать самим, собирая энергию с огромной территории по капле, что очень дорого.

Другая проблема, особенно в Баварии. 60% электроэнергии поступало с АЭС, почти как во Франции. До 2022 года, мы должны отказаться от атомной энергии и заменить их ветрогенераторами. Но с ветром у нас проблемы — в Баварии ветер дует в половину того, что на севере Германии. При этом формула зависимости выработки энергии от скорости ветра имеет форму кубического корня. Это значит, что сокращение скорости ветра в два раза, снижает эффективность в 8 раз.

Это значит, что ветрогенератор, установленный в Баварии, имеет только 1/8 продуктивности ветрогенератора на севере, а значит, нет смысла их в Баварии строить.

Что нужно в этом случае — это линии электропередач с севера на юг. И это обещает стать большой темой для защитников окружающей среды.

Особенная проблема — непостоянное электроснабжение. Ветер, как известно, дует не всегда и солнце светит тоже не всегда. Отсюда возникает вопрос, какой мощности нам нужны линии с севера и на юг, и есть ли смысл их строить, чтобы отправлять на юг переизбыток энергии ветра?


Кому она нужна — эта энергия?


Посмотрим, как это выглядит в реальности:

 

 

Это данные ветрогенерации в Германии за 2011 год по часам, полученные с 32 тысяч генераторов. На графике видна огромная волатильность вверх и вниз. На вершинах мы имеем производство почти в 20 гигаватт, а иногда почти ноль.

Нужно ли строить электромагистрали, чтобы эти отдельные вершки перенаправить в Баварию? И что с ними делать?

Чтобы их использовать, их необходимо как-то выровнять, и это отдельная огромная тема. И я абсолютно убежден — что это центральная тема в использовании альтернативной энергии. Промышленности нужен равномерный поток электроэнергии, так как производственные машины не могут работать в других условиях.

(Вопрос про французские и чешские АЭС опущен.)


Накопление энергии

Для того чтобы выровнять поток электроэнергии, нам нужна технология накопления. Возможность, которая здесь есть — это применение озер-накопителей, таких в Германии 35 штук.

Вопрос в том, сколько нам нужно, если брать для расчета средний размер тех озер-накопителей, которые у нас есть, чтобы сгладить поток ветрогенерации?


На графике ниже изображены несколько значений, которые релевантны для ответа на этот вопрос.
 

Средний уровень ветрогенерации, который составляет 5 гигаватт.

Номинальный уровень генерации — 29 гигаватт, то есть в 6 раз выше среднего уровня.

Гарантированный уровень генерации — это уровень производства, который действительно достижим на протяжении 99% времени, — 1 гигаватт.

Задача, которая перед нами стоит, это из одного гигаватта получить пять при помощи имеющейся технологии накопления. С помощью идеальной технологии накопления мы бы могли выровнять производство энергии на уровне 5 гигаватт.

Если вспомнить, что одна АЭС производит примерно 1 гигаватт, то мы уже достигли гарантированной ветрогенерации в 1 гигаватт и таким образом заменили одну АЭС, применив технологию накопления, мы могли бы заменить 5 АЭС.

В ifo Institut мы произвели расчет. Представьте себе один идеальный накопитель, который не имеет производственных потерь, и из него вытекает вода, содержащая 5 гигаватт энергии, мы будем наполнять накопитель по мере того, как у нас образуются излишки энергии от ветрогенерации таким образом, чтобы в нем всегда оставалась вода.
 

Таким образом, чтобы сгладить скачки, образуемые в результате ветрогенерации, нам понадобится 6097 накопителей. Напомню, их сейчас всего 35 и попытки строительства каждого нового накопителя натыкаются на активные протесты населения. Это просто не получится.

Можем мы посчитать по-другому? Нужно ли нам каждый скачок ветрогенерации действительно накапливать? Возможно, было бы выгоднее, некоторые из них просто выбросить и отказаться от потребления энергии? Тогда мы можем сократить количество накопителей, правда, будем иметь более низкий уровень производства энергии.


На графике кривая, отражающая гарантированное производство энергии при ветрогенерации в зависимости от количества накопителей.
 

0,9 гигаватт мы получим в случае, если мы не строим накопителей. Чтобы получить 4 гигаватта гарантированной генерации, нам нужно 978 накопителей, а для трех гигаватт — всего 456 накопителей.

Выглядит уже не так страшно, нам нужно всего-навсего применить экономические расчеты.

Стоимость строительства 456 накопителей с гарантированной мощностью в 3 гигаватта составит около 100 миллиардов евро. 2 АЭС от которых мы сможем отказаться в результате стоили бы всего 6 миллиардов евро.


Мы еще должны подумать о солнечной энергии, и тут получается аналогичная калькуляция.
 

 

Это солнечная энергия, которую мы произвели в 2011 году. Вы видите, что максимум генерации приходится на лето, зимой солнце светит меньше и генерация падает.

Возможно ли, что благодаря сочетанию солнечной и ветровой энергии мы можем добиться выравнивания генерации? Тогда возможно нам не понадобится столько накопителей?

Средняя генерация солнечной энергии — 2 гигаватта, 5 нам дает ветер, в результате мы получаем 7 гигаватт.

Номинальная мощность солнечной генерации — 25 гигаватт. Гарантированная генерация по определению — 0 гигаватт.


Если мы повторим наши вычисления с идеальным накопителем, где сброс равен среднему объему поступающей энергии, то нам потребуется для сглаживания производства солнечной энергии 3918 накопителей.
 

 

Если мы наложим один график на другой, то получим следующую картину.
 

На графике видно, что благодаря совмещению двух технологий, мы можем уменьшить количество необходимых накопителей, так как в течение года ветер дует сильнее зимой, компенсируя потери от слабого солнечного освещения. Белая линия показывает нам необходимый объем накопителя, при использовании обеих технологий.

Если для выравнивания ветрогенерации нам нужно было 6 тысяч накопителей, а для выравнивания солнечной генерации — почти четыре тысячи, то для выравнивания обоих хватит всего три с половиной тысячи. Это серьезный выигрыш.


Если перенести все на наш график, то для выравнивания всей генерации — 7 гигаватт, нам нужно 3500 накопителей. Если же мы хотим гарантировать производство в размере 4 гигаватта, то нам потребуется всего 385 накопителей.
 

 

Теперь нам необходимо развить наши расчеты немного дальше, так как не бывает идеальных накопителей и существуют потери энергии. На закачку воды в накопитель нужна энергия, и если вода сбрасывается из накопителя, тоже происходит потеря энергии.

При закачивании воды в накопитель происходит потеря 25% энергии. Если это учесть, то нам нужно смещать кривую вправо. И если мы сейчас хотим получить гарантированно 4 гигаватта, то нам потребуется 437 накопителей.
 

Стоить это будет — 96 миллиардов евро, как 32 новых АЭС. То есть, чтобы отказаться от трех АЭС и заменить их возобновляемой энергией, нам понадобится в 10 раз больше денег.

Но мы не сможет построить даже десятой части того, что требуется. По этой причине сама эта идея утопическая. Каждый может проверить расчеты сам.

Энергетический разворот в никуда… Довольно печально.

Возможно, мы можем сделать все умнее? Отправим электромобили на дороги и будем использовать имеющиеся в них аккумуляторы для накопления. Сколько тогда нам понадобится автомобилей BMW i3? Одна батарея для такого авто стоит примерно 12 тысяч евро.

Понадобится 22 миллиона таких автомобилей (в Германии 42 миллиона авто), цена — 254 миллиарда евро только за батарейки, это — 85 АЭС.

Если же я хочу выровнять все производство альтернативной энергии, то потребуется 164 миллиона таких автомобилей, то есть нужно увеличить количество автомобилей в Германии в 4 раза, заменив все на электромобили.

К 2020 году запланирован всего 1 миллион электромобилей на немецких дорогах,а не 22 миллиона. И это позволит сгладить генерацию, заменив, таким образом, всего одну АЭС. И это будет всего 6 промилле необходимого объема накопления — 0,6%.


Другие решения?

Smart Grid

Можно использовать бытовую технику только в том случае, если дует ветер или светит солнце. Нужно ли включать свет тогда, когда дует ветер — я не знаю. В этом направлении можно думать, но пока я не нашел никаких серьезных цифр на этот счет. Это настолько сложно, что в этом направлении ничего нет.

Накопление метана

Вместо того чтобы качать воду наверх, можно закачивать метан под землю, который получается в результате электролиза из излишков генерации. Это возможно, такая технология существует. Этот метан можно использовать для производства энергии или как природный газ. Возможно это решение?

К сожалению, по техническим причинам, все это тоже выглядит нехорошо. КПД превращения электроэнергии в метан и обратно составляет всего 25%. Это значит, что без расчета стоимости строительства подобных накопителей, электроэнергия подорожает в результате в 4 раза. Использование озер-накопителей удорожает электроэнергию всего на треть. При сравнимой стоимости самих накопителей.

Использование природного газа

Можем ли мы использовать природный газ из Сибири для сглаживания скачков в сети? Если у нас дует ветер или светит солнце, мы могли бы производить метан и закачиваем его в трубу, в природный накопитель в Сибири?

Русские конечно под этим не подпишутся, они осуществляют поставки только в постоянном режиме, так как все остальное приведет к износу дорогостоящих труб.

Придется нам самим заботиться о технологии накопления.

Кроме того, один киловатт-час энергии метана из России стоит — 3,25 цента. Один киловатт-час энергии, произведенной из метана, полученного в результате накопления энергии ветра стоит 48 центов, в 15 раз дороже. Проще вообще отказаться от ветрогенерации и покупать газ в России.

Конечно, можно сказать — по экологическим причинам мы вообще не будем покупать газ у русских, пусть остается в земле. Но он не останется в земле, то, что русские не продадут нам, они отправят в Китай. Вы же не думаете, что русские продадут меньше метана, если мы тут перекроем кран?

В конце концов газ все равно лучше для окружающей среды, чем другие традиционные энергоносители.

В итоге — метановые накопители сумасшедше дороги и в экономическом смысле неконкурентоспособны с озерами-накопителями.

Уголь

В результате нам ничего не остается, как вернутся к углю. И тогда мы ровно там, откуда начали, в том числе эту лекцию.

 

Спасибо за внимание!


Андрей Шмидт, politrussia.com