Погода балует. Изменения климата благоприятствуют развитию возобновляемой энергетики - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

Погода балует. Изменения климата благоприятствуют развитию возобновляемой энергетики

16.05.2020

В период пандемии коронавируса энергопотребление упало во всем мире. В Германии же возобновляемые источники энергии впервые (за первый квартал 2020 года) покрыли около 52% валового внутреннего потребления электроэнергии (в первом квартале 2019 года доля ВИЭ составляла 44,4%). Это произошло благодаря ветреной и солнечной погоде, а также снижению потребления электричества до 148 миллиардов кВт*ч или на 1% по сравнению с аналогичным периодом прошлого года. В общей сложности около 77 миллиардов кВт*ч электроэнергии были произведены на основе солнца, ветра и других возобновляемых источников энергии (в первом квартале 2019 года – 67,1 кВт*ч).

По определению ООН и Международного энергетического агентства к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относятся солнце, ветер, морские и океанские приливы и волны, геотермальные (подземные ресурсы горячей воды или пара), гидроэнергетические ресурсы больших и малых рек, продукты биомассы. Все они, кроме геотермальных, являются, по сути, трансформированной энергией Солнца. Использование ВИЭ позволяет резко снизить масштаб нагрузки на окружающую среду. Их применение в качестве альтернативы традиционным формам энергообеспечения давно привлекает внимание специалистов. Сегодня уже более 25% электроэнергии в мире производятся с помощью данных технологий. Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) в своем ежегодном докладе прогнозирует увеличение занятости в секторе ВИЭ с 9,8 миллиона человек в 2016 году до 24 миллионов к 2030-му.

А что у нас? Повышение общей энергетической эффективности – одно из приоритетных направлений политики РФ. Один только рынок оборудования для ВИЭ в нашей стране оценивался Минпромторгом в 500 миллиардов рублей к 2030 году.

Пока Россия успешно продавала углеводороды и не было кризисов, никто и не думал по большому счету об альтернативе. Сегодня Минэнерго РФ разработало целых три сценария с разной продолжительностью влияния коронавируса и действия ограничительных мер, периода существенного сокращения потребления электроэнергии и т. д. А что делают в этой области ученые?

Об исследованиях фундаментальных закономерностей влияния природно-климатических изменений на ресурсы возобновляемой энергетики в России с учетом региональных особенностей «Поиску» рассказал главный научный сотрудник Национального исследовательского университета «МЭИ», член-корреспондент РАН Владимир КЛИМЕНКО.

– Мы занимаемся все-таки климатическими моделями, проецируя их на экономику. По поводу последствий коронавируса мне сказать нечего, кроме того, что его влияние на глобальный климат ничтожно.

– Владимир Викторович, вы работаете при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований?

– Да. Фонд видит всю важность научной задачи. Работы выполняются в рамках гранта «Динамика потенциала возобновляемой энергетики в России в условиях современных природно-климатических изменений» (17-08-00134).

Сотрудники лаборатории глобальных проблем энергетики Национального исследовательского университета «МЭИ» сделали расчеты изменения прикладных климатических характеристик, определяющих потенциал ВИЭ: объема речного стока, ветропотенциала, биопродуктивности лесов. Расчеты показывают, что на большей части страны эти изменения будут иметь благоприятный для развития ВИЭ характер. Суммарный ожидаемый положительный эффект (экономия органического топлива) от увеличения потенциала ВИЭ за счет климатических изменений на территории России на период до 2050 года может составить более 10 миллионов тонн условного топлива ежегодно. Это должно с избытком компенсировать негативные последствия этих изменений для других отраслей энергетики, такие как снижение КПД тепловых и атомных электростанций в результате повышения температуры воздуха.

На основе расчетов на климатических моделях проекта CMIP5 (межмодельное сопоставление сопряженных климатических моделей) получены оценки изменения основных климатических параметров (температуры воздуха, количества осадков, скорости ветра), важных с точки зрения использования ВИЭ, на территории России на период до 2070 года. Расчеты выполнены в рамках наиболее вероятного сценария антропогенного воздействия на глобальную климатическую систему.

– Это взгляд в будущее. А каково положение вещей сегодня?

– Россия сильно отстает по темпам развития нетрадиционных ВИЭ (без учета крупных ГЭС и дров для населения) от основных лидеров в этой области: Китая, ЕС, США и др. Сегодня основу отечественной энергетики составляет органическое топливо (86% суммарного потребления первичной энергии в 2019 году, из которых 54% приходятся на природный газ), а вклад нетрадиционных ВИЭ едва превышает 1%. Для сравнения: доля НВИЭ в энергобалансе ЕС достигает 9,5%, в Японии – 5,6, США – 4,5, Китае – 4,4.
Только наличие значительного числа АЭС и крупных ГЭС наряду с превалирующей долей природного газа в потреблении органического топлива позволяет нашей стране сохранять некоторые важные экологические показатели энергетики (например, карбоноемкость, т. е. эмиссию углерода на единицу потребленной энергии) на уровне среднемировых. Но без должного развития возобновляемой энергетики ситуация в ближайшие годы начнет быстро ухудшаться.

– А как на эти показатели влияет климат?

– Характерная особенность большинства ВИЭ – их сильная зависимость от природно-климатических параметров (объема речного стока для ГЭС, скорости ветра для ВЭС, облачности для СЭС, биопродуктивности для биотоплива). Поэтому для оценки их эффективности на длительную перспективу нужны данные об изменениях климата в регионах их нахождения.

– На чем основаны подходы к моделированию климата?

– Существуют два основных подхода. Первый базируется на применении методов математической статистики к данным метеорологических наблюдений. Исторически это наиболее развитый и проработанный подход. Одно из его главных преимуществ – возможность учесть особенности реальных климатических процессов, зафиксированные в накопленном массиве эмпирических данных. Но у этого подхода есть ограничения. Для долгосрочного прогнозирования скорости ветра или количества осадков требуется использование принципиально иных подходов. Они положены в основу уже второй группы климатических моделей и заключаются в численном решении уравнений переноса для всей климатической системы.

– Как формируются такие модели?

– Расчетные исследования климата проводятся с использованием концепции вложенного моделирования, когда на относительно грубой сетке сначала создается моделирование процессов переноса планетарного масштаба. Затем результаты этого глобального моделирования используются для постановки условий в региональных климатических моделях. Крупнейшей инициативой такого рода стал международный Проект межмодельного сопоставления сопряженных климатических моделей (CMIP).

– На этих моделях и выполнялись исследования?

– Да. Мы оценивали крупномасштабные тенденции изменений климата, существенные для развития энергетики по всей территории России на протяжении XXI столетия, и приняли решение использовать результаты глобального климатического моделирования для непосредственной разработки прогнозных оценок. Результаты архива CMIP5, доступ к которому был предоставлен Немецким климатическим расчетным центром (DKRZ), для выбранных климатических параметров и сценариев были организованы в локальную базу данных. Ее обработка была выполнена с помощью специально разработанного авторского программного комплекса.

– Какие результаты получены?

– Скажу о том, что касается ветровой энергетики, которая наряду с солнечной принадлежит к технологиям, развитие которых поддерживается национальной энергетической стратегией России. Рассматриваются два вида применения ветроустановок: энергоснабжение изолированных энергосистем и развитие ветровой генерации в зонах централизованного энергоснабжения.

По нашему прогнозу, в ближайшие два-три десятилетия следует ожидать выраженного снижения скорости ветра в центральной и южной частях европейской территории России, на юге Западной Сибири, а также в отдельных арктических и субарктических регионах Сибири. В ряде районов снижение скорости ветра может привести к понижению эффективности работы ветрогенераторов до 15%. С другой стороны, на юге Дальнего Востока наблюдается тенденция к увеличению средней скорости ветра и, соответственно, повышению выработки ветрогенераторами энергии на 10-15%. Для Чукотки и Камчатки, где предпринимаются попытки использовать ветроустановки в составе местных изолированных энергосистем, существующий разброс в модельных оценках пока не позволяет сделать однозначный вывод и требует уточненных расчетов.

При этом вступивший в силу в январе 2019 года ГОСТ Р 58057-2018, рассматривающий общие требования к планированию развития единой энергетической системы и изолированных энергосистем, не предусматривает абсолютно никаких технических решений, направленных на интеграцию ВИЭ в качестве полноправных участников наряду с ТЭС, АЭС и ГЭС. Единственное упоминание ветровых и солнечных электростанций заключается в требовании их стопроцентного резервирования.
Фактически это означает, что на сегодня ввод любого ветрогенератора в России должен дублироваться одновременным вводом равной тепловой мощности, что делает крайне сомнительными экономические перспективы ВИЭ, особенно с учетом низких цен на ископаемое топливо.

– То есть пока перспектив минимум?

– Ближайшие перспективы выглядят следующим образом: общая установленная мощность станций России на НВИЭ (в основном это именно ветрогенераторы) должна вырасти до 5,5 Гвт к 2024 году, а их выработка составит примерно 10 миллиардов Квт*ч, то есть менее 1% от общей. В нашей стране такая программа рассматривается как амбициозная, но ее реализация позволит нам лишь в перспективе достичь сегодняшнего уровня Польши или Румынии. Для сравнения: уже в этом году мощность таких станций в мире превысит 1600 Гвт, а произведут они 3 триллиона кВт*ч электроэнергии – больше, чем все атомные станции мира.

– А биотопливо? С ним как?

– В России биотопливо составляет основу нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Мы попытались рассчитать изменения размера доступных древесных ресурсов, пригодных для энергетического использования, вызванные повышением биопродуктивности лесов благодаря увеличению содержания углекислого газа в атмосфере и изменению климатических условий. При этом необходимо отметить, что энергетический потенциал лесов России огромен, в них ежегодно продуцируется не менее 4 миллиардов тонн органического углерода или 5 миллиардов тонн в пересчете на условное топливо, то есть в пять раз больше годового энергопотребления страны.
Лесная промышленность России, как и другие отрасли экономики страны, в последние десятилетия претерпевала радикальные изменения. После двукратного роста лесозаготовок в послевоенное время (со 150 миллионов м³ в 1945 году до 350 миллионов м³ в 1960-м) наблюдался 30-летний период стабильно высоких объемов вывозки древесины, сменившийся резким спадом в 1990-е годы. Минимум заготовки леса был достигнут в 1998 году на уровне 100 миллионов м³, после чего начался период стабильного роста объемов рубок, превысивших в 2017 году 200 миллионов кубометров.

В последние десятилетия в качестве топлива, по разным оценкам, использовались около 40-60 миллионов м³ древесины в год, из которых примерно половину составляли дрова для населения, а оставшуюся часть – древесные отходы, используемые на электростанциях и в котельных. По нашим расчетам, энергетическое использование лесных ресурсов к 2050 году может достичь 95 миллионов м³. Но оговорюсь, эти расчеты справедливы для неизменных природно-климатических условий.

– И что в итоге?

– Проведенные исследования показали, что наблюдающиеся и ожидаемые на территории России изменения климата в целом благоприятны для основных отраслей ВИЭ, использующих гидроэнергетические ресурсы, энергию ветра и древесное топливо. По инерционному сценарию суммарный энергетический эффект (замещение органического топлива) к середине текущего столетия может составить более 10 миллионов тонн условного топлива. А при ускоренном развитии ВИЭ в России – в 2-3 раза больше, что значительно превышает по абсолютной величине негативные эффекты климатических изменений в теплоэнергетике за счет снижения эффективности работы паровых и газовых турбин.

– Масштабные работы трудно выполнять силами сотрудников только одной лаборатории. Кто ваши партнеры помимо DKRZ?

– Использовались данные Федеральной службы статистики России, Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации Росгидромета, Организации по продовольствию и сельскому хозяйству ООН, Международного энергетического агентства (IEA), компании British Petroleum, Национальной службы по исследованиям атмосферы и океана (NOAA), Министерства энергетики РФ, Системного оператора ЕЭС России.

– Скажите, а пожары, год от года терзающие российские территории, изменяющие ландшафт, водный баланс, учитывались в прогнозах?

– Пожары – это неотъемлемая часть жизни лесных экосистем во всем мире. Задача служб лесоохраны заключается в том, чтобы свести потери от них к разумному минимуму. В наших сценариях учитывались потери лесной биомассы, исходя из средних за последнее двадцатилетие величин, а также потери за счет распространения новых болезней и вредителей леса.

– Вам комфортно работать с РФФИ?

– У нас большой опыт сотрудничества с этой старейшей в нашей стране организацией, поддерживающей фундаментальные научные исследования. Этот трехлетний грант продолжает цикл наших исследований взаимодействий в системе «энергетика – климат», который был поддержан почти десятью грантами РФФИ. В проекте принимали участие ключевые сотрудники НИЛ глобальных проблем энергетики МЭИ, два доктора наук и два кандидата наук. Возраст исполнителей – от 35 до 70 лет. В ходе его выполнения нами были опубликованы пять статей в ведущих отечественных журналах («Доклады Академии наук», «Теплоэнергетика» и др.), их переводные версии вошли в международные системы цитирования Web of Science и Scopus. К сильным сторонам сотрудничества с Фондом, безусловно, можно отнести полную свободу в выборе направлений и методов исследования, а также академические требования к результатам работы, которые в фундаментальных науках не всегда очевидны. Однако объем финансирования нельзя признать достаточным для проведения серь-езных междисциплинарных работ на высоком мировом уровне. В 2020 году размер грантов увеличен до 1 миллиона 250 тысяч рублей, что позволит тратить больше времени на фундаментальную науку.

Андрей СУББОТИН 

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2