Глобальная энергетическая система является источником серьезных угроз для благополучия человечества как из-за широкомасштабного использования ископаемого топлива, так и ядерной энергии (хотя и в разной степени). Зависимость человека от ископаемого топлива и других ресурсов, которые производят парниковые газы, может привести к катастрофическим изменениям климата. В настоящее время способность биосферы поглощать углекислый газ значительно ниже, чем современные уровни его выбросов¹. Это приводит к концентрации СО₂ в атмосфере. Поскольку двуокись углерода представляет собой основной парниковый газ (см. статью по парниковому эффекту), продолжение использования ископаемого топлива на уровне, сопоставимом с нынешним, и при существующей технологии создает существенный риск глобального изменения климата.

Сторонники ядерной энергии предлагают, чтобы проблема парниковых газов решалась путем развития атомной энергетики, так как ядерные реакторы не выделяют в атмосферу углекислый газ. Однако высокие стоимость и риск, которые сопутствуют ядерной энергетике, делают ее не менее проблематичной, чем широкомасштабное сжигание ископаемого топлива (см. статью по ядерной энергетике).

Вследствие того, что правительства и корпорации сконцентрировали свои ресурсы и стратегию развития на ископаемом топливе и атомной энергетике, трансформация мировой экономики в здоровую, безопасную и устойчивую энергетическую систему будет нелегкой задачей. Данная статья рассматривает технические аспекты некоторых вариантов по сокращению выбросов парниковых газов с точки зрения энергоснабжения - а именно, преобразования топлива в электроэнергию, - и устанавливает ряд основных критериев создания устойчивой энергетической системы.

Критерии устойчивой энергетики

Для того, чтобы стать устойчивой и практически осуществимой, глобальная энергетическая система должна соответствовать одновременно следующим основным критериям:

1. Она должна быть надежной.
2. Ее стоимость - умеренной.
3. В процессе повседневного использования она не должна создавать серьезного загрязнения.
4. Экологические и экономические издержки энергетической системы должны практически полностью компенсироваться поколениями, извлекающими выгоду из ее пользования. Другими словами, эта система должна соответствовать критерию самоподдерживания.
5. Система должна быть способной поддерживать устойчивый уровень энергетических услуг² для 8-10 млрд.чел. (ожидаемому количеству населения мира в следующем столетии).
6. Она должна обладать устойчивостью по отношению к возможным кризисам в сфере снабжения, транспортировки, передачи и экономики.

Использование ядерной энергии не отвечает указанным критериям по причине (1) риска долговременного и широкомасштабного ущерба в результате инцидента типа чернобыльского, и, кроме того, (2) из-за риска, связанного с производством большого количества ядерных материалов, которые могут быть применимы при производстве ядерного оружия. Использование ископаемого топлива нынешними способами и в современных количествах также противоречит приведенным критериям, главным образом, из-за опасности катастрофического глобального изменения климата. Имеются и иные проблемы.

Необходимо разработать разумную стратегию, направленную на значительное повышение эффективности в течение нескольких ближайших десятилетий и на переход к использованию преимущественно различных видов возобновляемых источников энергии в сочетании с небольшим количеством ископаемого топлива. Для борьбы с глобальным потеплением не нужно полностью отказываться от ископаемого топлива: природа располагает определенными возможностями по поглощению антропогенной двуокиси углерода (в дополнение к естественному СО₂, циркулирующему между атмосферой, водой, почвой и биотой). Долговременной целью должно стать ограничение выбросов уровнями, ниже потенциала естественной абсорбции, составляющего примерно 3 млрд. т выбросов антропогенного СО₂. Однако необходимо отметить, что поглощение этого газа океанами, биотой и почвой происходит путями, до конца хорошо не понятыми.

Возможно и использование ископаемого топлива в масштабах, при которых выбросы углекислого газа превышают естественную способность атмосферы к их поглощению - при условии, что будут найдены пути предотвращения попадания этих выбросов в атмосферу. Методы улавливания СО₂, известные под названием "секвестр", весьма различны и включают хранение двуокиси углерода в подземных резервуарах и его закачивание в поддонные отложения. Но эти предложения связаны со значительными экологическими неопределенностями и дорогостоящи. Поскольку в течение нескольких следующих десятилетий выбросы СО₂ необходимо значительно сократить в условиях повышения потребностей в энергетических услугах, осуществление капиталовложений в повышение эффективности и экономичности энергетики, отвечающей обеим задачам, представляется более желательным, чем реализация стратегии секвестра. Таким образом, обсуждение в рамках данной статьи не затрагивает секвестр в качестве меры по сокращению выбросов СО₂.

Некоторые устойчивые варианты по сокращению выбросов парниковых газов

Существуют различные технологии, позволяющие добиться значительного сокращения глобальных выбросов парниковых газов и, в то же время, способствовать экономическому процветанию. Энергия ветра, одновременное производства электричества и тепла, топливные ячейки, электростанции, использующие естественное солнечное тепло с сопутствующим сжиганием природного газа, замена неэффективных работающих на угле электростанций на предприятия, использующие возобновляемые источники энергии и/или природный газ представляют собой некоторые из технологических вариантов расширения мощностей по производству электроэнергии в сочетании с сокращением выбросов парниковых газов. Инвестиции в эти технологии приведут именно к значительному сокращению - а не просто предотвращению - выбросов СО₂, как это произошло бы при строительстве новых АЭС. Фактически, высокая стоимость ядерной энергии не позволяет делать инвестиции в технологии, которые позволили бы добиться реального сокращения выбросов двуокиси углерода.

В таблице показано, что электростанции с комбинированным циклом на природном газе во всех случаях экономичнее АЭС. Предприятия с комбинированным циклом используют топливо, в частности, природный газ, в двуступенчатой системе производства электроэнергии. Первоначально природный газ приводит в движение газовую турбину и генератор. Затем горячие перегретые газы из турбины используются для производства пара, который, в свою очередь, приводит в действие паровую турбину. В настоящее время такая система готова к коммерческому использованию и ее эффективность составляет примерно 50 процентов.

Необходимо отметить, что Китай, основной будущий потребитель энергии с новых АЭС, вряд ли встанет перед лицом большей стоимости электростанций с комбинированным циклом, поскольку он будет использовать трубопроводный (с собственных месторождений на континенте и на шельфе, а также из Средней Азии), а не сжиженный природный газ (на основе которого рассчитаны все три оценки стоимости). Это сравнение исключает пессимистические сценарии стоимости АЭС, которая будет существенно выше, чем наивысшая оценка для АЭС, приведенная в таблице³.

Каждый дополнительный цент в расчете на кВт-час означает дополнительные расходы в размере 66 млн. долл. в год для АЭС мощностью в 1000 мВт. В течение 30-летнего периода каждый такой дополнительный цент равнозначен дополнительным затратам в размере 1,15 млрд.долл. в современных ценах (с учетом инфляции в 4 процента ежегодно). (В будущем из-за инфляции эта сумма будет выше). Используя приведенные цифры, можно сопоставить вариант по замене нынешних работающих на угле электростанций на АЭС с вариантом по их замене на электростанции с комбинированным циклом. Мы провели сравнение электростанций с комбинированным циклом и АЭС для различных случаев: низкая стоимость против низкой стоимости, средняя против средней и высокая против высокой. В наиболее типичном сценарии строительство электростанций с комбинированным циклом (ЭСКЦ) приведет к сокращению выбросов СО₂ на 40 процентов больше, чем можно было бы добиться путем строительства АЭС (см. приведенное в варианте 2 сравнение ЭС с комбинированным циклом с соответствующей АЭС). По мере повышения эффективности ЭСКЦ данная разница будет возрастать.

Возможно также использовать экономию, образованную в результате строительства ЭСКЦ вместо атомных, для разработки и продвижения на рынок солнечных и ветровых технологий, а также для увеличения эффективности энергетики. В этих случаях размеры выбросов СО₂, которых удастся избежать, будут зависеть от местоположения электростанций и от конкретных технологий, выбранных для повышения эффективности. Если для замены половины работающих на угле электростанций в мире будут избраны ЭСКЦ, можно будет добиться 15-процентного сокращения выбросов углекислого газа.

В 70-е гг. присутствовало опасение, что природный газ представляет собой весьма ограниченный ресурс. Оно, однако не подтвердилось. На практике, газ - достаточно распространенное полезное ископаемое, и, в отличие от ядерной энергетики, не несет опасностей распространения. Наш подход не предусматривает опору на природный газ на неопределенный срок. Мы предлагаем использовать его высокую эффективность в течение нескольких ближайших десятилетий. Подобное использование природного газа в качестве топлива на переходный период представляется разумной экологической и экономической стратегией. Мы ожидаем, что в течение этого времени, в случае соответствующих действий со стороны правительств, корпораций и потребителей, на возобновляемые источники энергии будет приходиться большая часть энергоснабжения гораздо более эффективной экономики.

Мировые запасы природного газа постоянно растут и в настоящее время составляют примерно 75 лет при уровне потребления 1995 г. (что соответствует запасам в размере примерно 5,2 х 10²¹ при ежегодном потреблении в 7 х 10¹⁹ джоулей). Несмотря на рост потребления, запасы природного газа продолжают возрастать⁴.

Электростанции, работающие на угле, расположены во многих частях света, включая Западную Европу, Соединенные Штаты, бывший Советский Союз, Китай, Индию и Восточную Европу. Несмотря на то, что немедленная их замена на ЭСКЦ маловероятна по экономическим соображениям, в течение определенного периода времени их вывод из эксплуатации и постепенная замена представляются возможными. В некоторых регионах энергия ветра также могла бы послужить эффективным и экономичным способом борьбы с выбросами СО₂.

Одним из негативных моментов растущей опоры на природный газ является сопутствующий рост выброса метана в результате небольших утечек из газопроводов. По оценке, на электростанциях подобная утечка достигает 0,8 процента. Поскольку метан представляет собой гораздо более мощный парниковый газ по сравнению с СО₂, необходимы меры по компенсации этих выбросов с тем, чтобы максимально сократить концентрацию парниковых газов в результате перехода на использование природного газа. Такой компенсации можно добиться путем внедрения достаточно простых мер, например, строительства предприятий по производству биогазов у животноводческих ферм, улавливание метана, выделяющегося из свалок (представляющих собой значительный источник загрязнения во многих регионах), и его использование в качестве топлива. На ограниченной основе газ, исходящий из мусорных свалок, применяется в некоторых регионах для производства электроэнергии и отопительного топлива. Например, мусорный газ со свалки Фреш-Киллз, куда свозится мусор из Нью-Йорка, обеспечивает топливо для отопления 14000 домовладений⁵.

Эффективность энергопотребления и возобновляемые
источники энергии

Каким образом мы можем совершить переход к энергетической системе, которая отвечала бы потребностям в энергии и одновременно была бы устойчивой и отвечала бы экологическим требованиям? Нетрудно предположить, что когда-либо в отдаленном будущем возобновляемые источники энергии станут достаточно экономичными для того, чтобы обеспечивать основные потребности в энергии. Но каким образом мы смогли бы перейти к такому будущему, особенно когда энергия солнца и ветра пока не играет существенной роли в глобальном энергопроизводстве, несмотря на значительные усилия, предпринятые в данной области в течение многих последних десятилетий, и когда повышение эффективности энергопотребления приостановилось и остается значительно ниже своих потенциальных возможностей?

Прежде всего, следует отметить, что затраты и усилия в сфере исследований и разработок в области эффективности энергопотребления и возобновляемых источников энергии остаются несопоставимыми с предпринимаемыми в сфере ископаемого топлива и ядерной энергетики. Только на потерпевшую фиаско технологию реакторов-размножителей, являющуюся лишь частью ядерной энергетики, было израсходовано ресурсов больше, чем на ветровую и солнечную энергию вместе взятые.

Во-вторых, критически важные проблемы повышения эффективности энергопотребления привлекли еще меньшее внимание со стороны политиков, чем в сфере исследований и разработок. Например, разработка высокоэффективных, компактных и экономичных теплообменников для низкотемпературных обогревателей открыло бы огромные новые возможности в повышении эффективности энергопотребления. Однако правительственные ассигнования на фундаментальные исследования в указанной области остаются незначительными, а исследования, финансируемые частным сектором, как правило, сфокусированы на быстроокупаемых технологиях.

В третьих, статистика энергетики страдает серьезными недостатками. В частности, такой значительный источник энергии, как биомасса для домашних животных, который является источником энергии для сельского хозяйства в значительной части мира, не включается в оценки данных по энергетике. Также не учитывается большое количество сжигаемого природного газа, рассматриваемого в качестве сопутствующего при нефтедобыче. Так, компания "Шелл ойл" сжигает сопутствующий природный газ на своих нефтепромыслах в Нигерии⁶.

Трансформация мировой энергетической системы будет огромной и сложной задачей. Большая ее часть связана с проблемой того, что большие корпорации, для которых первоочередной задачей является получение прибыли, и которые вложили значительные средства в ископаемое топливо и ядерную энергетику, контролируют большую часть производства энергии и ее распределение. Подписание Монреальского протокола привело к действиям по защите озонового слоя; в соответствии с Протоколом Киото правительства должны создать регулирующие структуры, а также систему финансовых стимулов и штрафов в целях достижения требуемого сокращения выброса парниковых газов рыночным сектором экономики. Твердый курс немедленных действий на местном, национальном, региональном и глобальном уровнях абсолютно необходим для перехода от современной, связанной с опасностями системы к устойчивой и экологичной энергетике будущего.