О расходе энергии для разных технологий генерации и их углеродном следе

В научном журнале Nature Energy опубликована статья со сложным названием «Понимание будущих выбросов низкоуглеродных энергетических систем путем интеграции оценки жизненного цикла и комплексного моделирования энергетики» (Understanding future emissions from low-carbon power systems by integration of life-cycle assessment and integrated energy modelling).

Вкратце, речь идет о том, какие удельные затраты энергии и углеродный след характерны для разных технологий генерации сегодня и в энергетической системе 2050 года.

В статье доказывается, что выбросы парниковых газов в солнечной, ветровой и ядерной энергетике во много раз ниже, чем у угольной или газовой генерации, даже оснащенной технологиями улавливания и хранения углерода (CCS). В данном выводе, разумеется, учтены в том числе выбросы в процессах производства, строительства и снабжения топливом.

Известна обеспокоенность по поводу того, что объемы энергии, необходимой для производства ветровых турбин, солнечных панелей и связанные с ним выбросы, велики и могут негативно повлиять на достижение климатических целей. Критики часто утверждают, что ветровая или солнечная энергия имеет «скрытый углеродный след», связанный с процессами производства и строительства объектов. Некоторые отечественные ученые даже иногда выражаются следующим образом: «Заведомо могу сказать, что выбросы СО2 в связи с использованием солнечной батареи выше, чем, если вы будете пользоваться традиционными источниками».

Заводы, производящие солнечные панели, потребляют большое количество электроэнергии (а если мы говорим о Китае, то эта электроэнергия – в значительной степени угольная). Ветровые турбины и атомные электростанции нуждаются в большом количестве стали и бетона…

В новом исследовании всесторонне измеряется потребление энергии в течение жизненного цикла и выбросы парниковых газов разных источников электроэнергии в настоящее время и в 2050 году.

Расчеты авторов показывают, что выбросы жизненного цикла, связанные с расширением ветровой и солнечной энергетики, намного меньше, чем даже оставшиеся выбросы существующих «традиционных» электростанций до срока окончания их эксплуатации.

Сперва авторы рассматривают объемы энергии, необходимые для строительства и запуска электростанций разных типов. Это так называемая «затраченная энергия», как бы «содержащаяся» в единице продукта (embodied energy).

Исследование показало, что электричество из ископаемого топлива, а также производимое гидроэнергетикой и биоэнергетикой связано со «значительно более высокими» энергозатратами по сравнению с ядерной, ветровой и солнечной энергией.

Например, авторы подсчитали, что 11% энергии, генерируемой угольной электростанцией в течение срока службы, «уходит» на её строительство и снабжение топливом, как показано на графике ниже. Другими словами, если использовать показатель EROI (отношение выработанной энергии к затраченной), одна единица энергии, вложенная в угольную энергетику, дает девять единиц электроэнергии (EROI = 9:1).

При этом EROI атомной энергетики оценивается авторами в 20:1, солнечной – 26:1, а ветровой 44:1.

Аналогичное справедливо и для выбросов парниковых газов. Исследователи приходят к выводу, что «парниковый след» атомной, ветровой и солнечной энергетики гораздо ниже, чем угольных и газовых электростанций, оснащенных CCS, а также ГЭС и объектов, работающих на биологическом сырье (см. следующий график).

Здесь цветом выделены удельные (на кВт*ч) выбросы парниковых газов в СО2 эквиваленте в 2050 году, и для сравнения приведены текущие данные IPCC при ООН (серого-голубые фигуры).

Особенностью подхода авторов статьи является учет будущих изменений в энергетической системе и технологиях. Например, для производства солнечных панелей будет требоваться всё меньше энергии в связи с техническим прогрессом и переходом к менее энергоемким вариантам производства. В то же время и сама потребляемая электроэнергия станет чище.

Исследование показывает, что каждый киловатт-час электроэнергии, вырабатываемой в течение всего срока службы атомной электростанции, имеет эмиссионный след в 4 грамма эквивалента CO2. Ветроэнергетика показывай такой же результат, а солнечная энергетика — 6 г СО2 на кВт*ч.

Напротив, угольная генерация с CCS – это 109 г, газовая (также с CCS) — 78 г.

Столь высокие цифры для технологии улавливания и хранения углерода получились по следующим причинам. Выбросы, связанные с добычей и доставкой угля или газа, никуда не «улетучиваются». Во-вторых, исследователи предполагают, что CCS улавливает только 90% выбросов CO2 от работы электростанций. Если улавливать больше, это будет связано с чрезвычайно высокими дополнительными затратами и всё равно не «отменит» выбросов стадии upstream, которые оцениваются в 23-42 грамма в СО2 эквиваленте на киловатт-час.

Другими словами, можно утверждать, что нет такого понятия как «чистый уголь».

Что удивляет в исследовании – это высокие расчетные показатели выбросов для ГЭС и биоэнергетики. У авторов получается, что их эмиссия даже выше, чем у газовых электростанций с CCS.

Считается, что для достижения климатической цели по ограничению глобального потепления двумя градусами Цельсия энергетические выбросы не должны превышать 15 грамм в СО2 эквиваленте на киловатт-час. При этом расчетные показатели для ГЭС составляют 97 грамм, а для биоэнергетики – 98 грамм.

Данные по гидроэнергетике в определенной степени коррелируют с прежними исследованиями, о которых мы писали.

Авторы доклада делают оговорку, что показатели ГЭС и биоэнергетики сильно варьируются в зависимости от условий конкретных объектов и видов используемого сырья (для биоэнергетики). Это видно на графиках. В то же время указанные цифры – это всё равно неожиданно много.

Подведем итоги.

Исследование доказывает, что выбросы, связанные с распространением ветровой, солнечной и атомной энергетики, малы по сравнению с другими технологиями генерации. Другими словами, экологическая нагрузка от строительства низкоуглеродных объектов электроэнергетики нисколько не препятствует очищению энергосистемы.