В конце прошлого года в Nature вышла статья, авторы которой попробовали выяснить: способны ли СЭС и ВЭС полностью обеспечить планету электроэнергией. Исследователи пришли к неожиданным выводам: солнечная энергия не сможет стать главной на планете ни в какой перспективе. Теоретически основную роль в добыче энергии могли бы взять на себя ветряки. Однако из мини-расследования Naked Science ясно, что на самом деле — не могут. Почему же углеводороды все еще способны на то, что не под силам более «продвинутым» источникам энергии?

Из чего состоит невидимая часть электростанций

Строительство солнечных и ветровых электростанций в наши дни обходится по тысяче-полторы долларов за киловатт установленной мощности. Это примерно столько же, сколько стоит угольная или газовая ТЭС, но фотоэлементам не нужно топливо, которое составляет две трети в цене электричества от ТЭС. Конечно, тепловая электростанция работает больше часов в году, ведь ей не требуется ждать солнца или ветра — она сама обеспечивает себя источником энергии. Но даже с учетом этого кажется очевидным: СЭС и ВЭС уже дешевле ТЭС.

И многие реально так думают: подобное мнение можно встретить в некоторых научных работах (правда, почему-то в основном не по энергетике), и даже зеленые в Европе объясняют нынешний скачок цен на энергию «недостаточными инвестициями в возобновляемую энергетику».

Остается один вопрос: если все это так, отчего азиатские страны планируют в ближайшие десятилетия построить угольных ТЭС на 300 гигаватт мощности? К слову, это куда больше общей мощности всех электростанций России. А ведь у КНР и так самая мощная угольная энергетика в мире. И дело не только в китайцах: еще на 300 гигаватт угольных станций напланировали себе другие азиатские страны, включая Японию, в которой еще недавно так много говорили о безуглеродном будущем планеты. Неужто все они просто вдруг забыли, что солнце и ветер дешевле угля?

Планы индийского государства по выработке электроэнергии из ископаемого топлива (в случае Индии это почти на сто процентов уголь). Легко видеть, что к 2040 году эта страна планирует получать от угля куда больше, чем от СЭС и ВЭС. Этого никогда не могло бы случиться, если фотоэлементы и ветряки действительно давали энергию дешевле угольной: индийцы бедны, и у них просто нет денег, которые они могут выкинуть на ветер / ©Wikimedia Commons

Мы сравниваем солнечные, ветровые и тепловые электростанции так, будто это один и тот же продукт: вот здесь в него вход (солнечная батарея, угольная топка), а вот здесь — выход, электроэнергия по проводам.

На самом деле, типовая схема электростанции совсем не такая. Электростанции любого типа — если она не экзотика, а основной тип электростанции в системе — обязательно нужен еще и большой запас энергии. Но в силу технических причин, которые мы рассмотрим ниже, на тепловой электростанции накопитель можно поставить до самой генерации, а вот на альтернативных электростанциях он должен располагаться уже после процесса производства электроэнергии

Американская угольная ТЭС, тонкий слой снега прикрывает монументальную кучу угля, работающую, фактически, в качестве крайне недорогого склада энергии / ©Wikimedia Commons

Возьмем любую угольную станцию, например Барнаульскую ТЭЦ-2. Мощность — всего 275 мегаватт, это довольно средняя цифра, на планете много и гигаваттных станций. Нормативный запас угля на станции — 57 тысяч тонн. Фактический на, к примеру, 12 февраля 2022 года, однако, 116 тысяч тонн. При морозной погоде (то есть максимальной нагрузке) она жжет четыре тысячи тонн в сутки: значит, нормативного запаса хватит на две недели, а реального — на месяц. И не стоит думать, что 100 тысяч тонн плюс требуют каких-то огромных хранилищ — такое количество угля с запасом поместится в куб со стороной всего в 45 метров.

Следовательно, угольная ТЭС — комплекс из собственно электростанции и огромного (или, точнее сказать, колоссального) аккумулятора, роль которого играет банальная угольная куча. Чтобы осознать масштаб такого гиганакопителя, напомним: 116 тысяч тонн при сжигании дадут 300 миллионов киловатт-часов.

Tesla Megapack, лучший из крупных литиевых накопителей на планете. Масса его около 23 тонн, по размерам это стандартный морской контейнер. Но не каждый контейнер стоит миллион долларов / ©Tesla

Самый совершенный из крупных литиевых накопителей на планете — Tesla Megapack, он содержит три тысячи киловатт-часов. Иными словами, простая угольная куча на второразрядной российской угольной станции — эквивалент 100 тысячам Tesla Megapack. Если бы подобная накопительная станция существовала, она весила бы от 2,3 миллиона тонн — ведь каждый «мегапак» весит 23 тонны. То есть вот эта самая низкотехнологичная черная пылящая куча весом в 116 тысяч тонн отдаст на единицу массы в пару десятков раз больше электроэнергии, чем весьма высокотехнологичная и напичканная электроникой система, которую пока на планете не умеет делать никто, кроме Tesla.

Что с экономикой?