То, что необходимо переходить на альтернативный углеводородам источник энергии, является практически общепризнанным фактом. Но кто сможет занять данную нишу на данный момент неочевидно. Обособленно существуют два лагеря: мирный атом и альтернативная энергетика конкурируют за звание источника электричества будущего.

В данной статье будут рассмотрены технические, экономические и экологические показатели оппонентов и причины, по которым исторически в разных странах побеждают разные подходы к будущему энергообеспечения.

I. ГЕОПОЛИТИКА

Выбор направления энергетического развития очень сильно зависит от природных, географических и политических факторов. Действия государств и предприятий определяются их положением в мире.

Условно можно выбрать ключевые по игрокам по регионам, не изменяя традиции западного идеолога Холодной Войны Збигнева Бжезинского: Северная Америка, Европа, Азия и Евразийские Балканы – Ближний Восток.

Деление на политические лагеря времен Холодной Войны устарело, но не утратило смысла. Отсутствие Крупного игрока вроде СССР который бы был способен стать центром кооперации бывшего коммунистического блока не отменяет того, что связи между осколками некогда грозной силы все еще сильны. Настолько, что в случаях отношений (РФ-Республика Беларусь и РФ-Казахстан) являются определяющими. В каком-то смысле отношения в СНГ можно назвать проблемой отцов и детей, когда обретшие независимость страны копят удельный вес и все больше выходят из орбиты наследницы Советского союза.

Россия и часть СНГ, как прямой итог жизнедеятельности Советского Союза, имеют при выборе направления энергетического развития «после углеводородов» явный сдвиг в пользу атомной энергетики. Причиной этого по большей части стала позиция советского научнотехнического сообщества. Ее лучше всего иллюстрирует Доклад Капицы на научной сессии к 250-летию Академии наук СССР.

Альтернативная энергетика(здесь и далее – ветер и солнце, остальные не рассматриваются) из-за небольшой концентрации энергии не принималась как исчерпывающее решение. Как наследие Организации Варшавского Договора на данных территориях мирный атом имеет довольно серьезную технологическую базу и определенную поддержку общественности.

Также существуют гидро- и геотермальные электростанции, однако рассматриваться они не будут, так как имеют довольно узкие географические границы применимости и в споре о том, какая энергетика займет лидирующее место в будущем, значение иметь не будут.

В случае с Европой ситуация полностью противоположна. Отсутствие значительных запасов углеводородов приводит к необходимости постоянных закупок и делает необходимость перехода на другие энергоносители более острой. Неудивительно, что зеленое лобби довольно сильно и в области альтернативной энергетики Евросоюз добился уже сейчас колоссальных успехов.

Однако нельзя сказать, что Европа едина в своем желании отказаться от мирного атома. Франция, несмотря на то, что серьезная часть реакторов уже подходит к концу эксплуатационного срока, вряд ли будет отходить от уже проторенной дорожки. Хотя, многое зависит от положения главной энергетической компании Франции, Orano, которая испытывает сейчас серьезные финансовые трудности.

Некоторые страны восточной Европы, в частности Чехия и Финляндия, также склоняются к атомному решению проблемы и заключают контракты с Росатомом на постройку АЭС. Между Россией и Францией есть как конкуренция за контракты, так и сотрудничество в области поставок.

Позже к ним присоединилась и Япония, для которой импорт топлива всегда был Ахиллесовой Пятой. Однако трагические последствия Фукусимы потребовали остановки и модернизации реакторов и чуть не погубили атомную энергетику Японии полностью. До аварии в марте 2011 году мирный атом покрывал порядка 30%, по итогам 2017 года выработка уже составила 3,61 % электроэнергии в стране. Связано это с повышенными требованиями безопасности и негативным отношением к ядерной энергетике со стороны как населения, так и существенной части политического аппарата. Вполне возможен полный отказ от мирного атома энергетики на национальном уровне.

Тем не менее, отрасль не собирается сдаваться. Идет борьба как за возвращение атомной энергетики в строй на самих островах, так и за игру на международной арене. Вероятно, зависимость от поставок энергоресурсов принудит к возвращению на дофукусимский уровень(или приблизиться к нему). На внешней арене Япония также с переменным успехом пытается удержаться.

В Азии формируется треугольник Россия-Китай-Индия с довольно тесными связями. Ключевыми фигурами, вне всякого сомнения, являются РФ и КНДР, а индусы изо всех сил пытаются их догнать. Однако отсутствие обширных запасов урана заставляет их рассматривать как перспективный вариант ториевую энергетику, что довольно технически сложно и до сих пор не имеет опыта реализации.

II. ЭКОНОМИКА И ЭКОЛОГИЯ

Один из самых универсальных показателей для энергетики – это LCOE (Levelized Cost of Energy) или средняя расчетная стоимость электроэнергии. Она учитывает все промежуточные затраты, включая стоимость непосредственно производства энергии, стоимость топлива, амортизацию, инвестиции и так далее. Можно считать эт у величину стоимостью, по которой должна продаваться энергия для обеспечения безубыточности производства. На 2018 год LCOE для атомных станций большой мощности в среднем в мире была около 7,6 центов за кВт×час [3].

Солнечная и ветрогенерация отставали не сильно. Учитывая тенденцию к стабильному снижению издержек производства солнечных панелей (солнечные электростанции на тепле рассматривать не будем ввиду узкой зоны применимости) и увеличения размеров ветряков, можно с довольно большой уверенностью сказать, что в ближайшее время атомная и возобновляемая энергия сравняются по этому показателю.

LCOE для разных видов источников энергии[3]. Росатом
LCOE для разных видов источников энергии[3].

III. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Означает ли это, что последний уран и плутоний мы через некоторое время можем закапывать, оставляя только исследовательские реакторы для военных и медицинских целей? Согласно подавляющему мнению «зеленых» — да. Однако, все далеко не так просто, как кажется на первый взгляд.

Средняя расчетная стоимость не учитывает остальных издержек для общества. Стоимость издержек производства для общества не имеет универсального инструмента обработки. Если стоимость утилизации учитывается в LCOE, то влияние на сеть — нет. Альтернативная энергетика имеет серьезные проблемы с качеством электричества, поступающего в сеть, связанные с необходимостью использования инверторов, а также с периодической нехваткой мощности, что создает необходимость закупать электроэнергию у соседей и восполнять генерацию за счет теплоэлектростанций. Ярким примером является Германия, которая регулярно в зимний период сталкивается с авариями на «зеленых» производствах [6]. Хотя, безусловно, качество электроэнергии от альтернативных источников энергии шагнуло очень далеко и есть основания предполагать, что эта тенденция будет сохраняться.

Дополнительные закупки электричества у Европейских стран и газа у России стимулируются необходимостью отопления в зимний период. Издержки, которые понесла сеть, сложно измерить даже приблизительно. Штрафы для зеленой энергетики за проблемы с энергосетью не предусмотрены ввиду ее всесторонней поддержки.

Также чрезвычайно сложно представить косвенные издержки в деловой сфере из-за высокой стоимости электричества в моменты низкой генерации. Поэтому в LCOE отсутствует истинная стоимость проблем для человека, связанных непосредственно с неудобством возобновляемой энергетики. Для того, чтобы измерить истинные издержки производства электроэнергии, отсутствует единая система оценки, что превращает большую часть рассуждений о том, что же для человечества предпочтительнее, в гадания на кофейной гуще.

Слабым звеном в производстве зеленой энергии всегда было и будет непостоянство. Ветер и солнце плохо прогнозируемые параметры, без которых ВИЭ не способно существовать. В пики производства электроэнергии её может быть больше, чем требуется, в безветренную погоду и ночью электричество производиться не будет (исключением является solar thermal, которая способна аккумулировать энергию сама по себе). А нынешняя, стремительно устаревающая, концепция гласит, что потребление и производство энергии должны быть равны.

Решить данное затруднение можно с помощью аккумуляции произведенной энергии. На данный момент это составляет значительную часть стоимости “зеленой” электроэнергии. Более того, создание систем хранения пока даже не приблизилось к той черте, которая даст возможность использования зеленой энергетики.

Когда производство энергии падает до своих нижних значений, брать электроэнергию неоткуда. Не существует аккумуляторов, способных поддерживать энергосеть на требуемых уровнях в течении такого долгого времени. Более того, появляется повышенный спрос на тепло, что также накладывает определенную нагрузку. Разумеется, ветрогенераторы не так зависят от времени года, как солнечные электростанции, так что сокращение светового дня не будет играть роли. Едва ли в регионах с небольшим количеством солнечных дней будет когда-либо пользоваться спросом солнечная энергия.

Таблица I Оценки внешних издержек европейского проекта CASES. Издержки видов энергетики
Таблица I
Оценки внешних издержек европейского проекта CASES.

Но собо ярко проблему перебоев с электричеством иллюстрирует Германия. Летний период перестраивающаяся на возобновляемые источники энергии энергосистема довольно хорошо переживает. Однако на зимний период встает резкая необходимость закупок нефти и газа (что приносит определенную пользу экономике Российской Федерации и прибыль Газпром у), для того, чтобы снабжать население электричеством и теплом. В случае краткосрочных перебоев приходится прибегать к импорту электричества из энергосетей соседних стран.

График электрической нагрузки Германии
График электрической нагрузки Германии

Еще один параметр, который практически не упоминается в разговоре о ВИЭ, это жизненный цикл и экономические характеристики аккумуляторов. Большую часть даже современных систем хранения энергии нельзя назвать экологически-чистыми. И вопрос захоронения стоит достаточно остро. Единственное глобальное решение данной проблемы – увеличение взаимосвязанности энергосети.

Однако, в этой области, как и в области производства фотоэлементов, ветрогенераторов, инверторов и других неотъемлемых составляющих альтернативных источников энергии происходит процесс постепенного удешевления и снижения затрат.

Несмотря на огромные сложности в создании централизованной энергосети на основе ВИЭ, надо заметить, что в децентрализованных системах альтернативная энергетика имеет существенные преимущества перед любой другой. Максимально подходящий пример использования разрозненных возобновляемых источников энергии также можно найти в Германии.

Население довольно серьезно восприняло курс на безуглеродную энергетику и занялось обеспечением собственного энергоснабжения, монтируя фотопанели на крышах домов. Что характерно, это не только снабжало электричеством зеленых пионеров, но и сделало вклад в общую энергосистему. Излишки энергии в пиковые часы продаются в сеть.

Энергетический баланс Германии. 2019 год.
Энергетический баланс Германии. 2019 год.

IV. МИРНЫЙ АТОМ

Одним из самых серьезных минусов атомной энергетики сегодня является высокая стоимость постройки АЭС. Однако, как показывает практика, такие вложения многократно окупаются уже в течении эксплуатационного срока, планируемого при постройке. Если добавить к этому ставшую нормой практику продления срока эксплуатации реакторов (не учитываются в LCOE, фактическая средняя расчетная стоимость может быть ниже рассчитанной изначально), то для снабжения энергоемких районов АЭС становятся невероятно привлекательными.

Отдельно стоит заметить высокую независимость атомной энергетики от внешних условий. Стоимость топлива играет в стоимости электроэнергии незначительную роль, если не учитывать попытки организации замкнутого ядерного топливного цикла, в котором существенные затраты идут на переработку топлива.

Большая часть вложений уходит на обеспечение безопасности и захоронение отходов(за которые, в зависимости от концепции ядерного цикла, может приниматься как отработанное топливо, так и не подлежащие переработке опасные вещества). Вполне обосновано, учитывая то, что одна авария может принести человеческие, экологические и экономические издержки, которые ни за что не окупятся силами одной электростанции на всем протяжении эксплуатации.

Захоронение или переработка отработанного топлива также является важнейшим этапом в процессе производства электроэнергии. Чрезвычайно важно, чтобы в обозримом и необозримом будущем утилизированные радиоактивные отходы не могли повлиять на экосистему. Процесс захоронения на данный момент является минимально опасным для окружающей среды. Отходы за хораниваются на глубине порядка полукилометра (в зависимости от конкретного захоронения глубина может быть разной). При выборе места захоронения учитывают смещение грунтов и подземные реки, которые могли бы вынести радиоактивные вещества на поверхность в случае разрушения хранилища. И всё это рассчитывают не на десятилетия, а на столетия вперед.

Более того, не все радиоактивные отходы, которые извлекаются из реактора, подлежат захоронению. Большую часть (вплоть до 95 %) отработанного ядерного топлива (ОЯТ) можно вернуть обратно в производство на химических заводах. В России этим занимается производственное объединение «Мая́к».

В реакторах любого типа нарабатывается плутоний239, который, как и уран-235 поддерживает цепную реакцию деления и может использоваться в качестве топлива. Долгое время в реакторах в качестве делящегося материала использовался только уран, однако сейчас Росатом переходит на МОХ топливо (mixed oxide fuel). Делается это, прежде всего, с целью максимально полного использования ресурсов и обеспечения сохранения естественного радиационного баланса. Это же позволяет Росатому снижать зависимость от добычи урана.

Формулу идеального топливного цикла можно охарактеризовать так: «Сколько из земли добыли, столько вернули туда на захоронение». Так или иначе, эта самая переработка, несмотря на огромную пользу для атомной энергетики, является делом затратным. Единственным выходом из положения в этом вопросе кажется оптимизация производства и экономия на масштабе за счет создания нескольких больших заводов по переработке топлива, или наращивания мощностей одного с максимально эффективной системой интеграции в транспортную сеть.

И альтернативная, и атомная энергетика решают вопрос ограниченности ископаемых ресурсов. Но каждая решает его по-своему. Если возобновляемая энергетика работает с принципиально неисчерпаемым источником энергии, то атомная использует все то же ископаемое топливо, только необычное.

Запасы необходимого для реакторов изотопа уран-235 довольно обширны, однако он рано или поздно закончится. Останется уран-238. В процессе работы реактора нейтроны могут захватываться ядром этого изотопа, превращая его в плутоний-239, который можно затем использовать в реакторе для производства электроэнергии. Однако в большинстве типов реакторов плутония нарабатывается меньше, чем сжигается. Решением этого видятся реакторы на быстрых нейтронах, в них количество рожденного плутония превышает количество загруженного урана. Как следствие – замыкание топливного цикла и решение топливной проблемы на тысячи лет вперед.

Однако создание и эксплуатация реактора на быстрых нейтронах является одной из самых технологически сложных задач. Более того, сама по себе эта задача дорогая.

Быстрые реакторы рассматриваются не только в России, но только Росатом решил сделать на них ставку(ведь и без быстрых реакторов плутоний нарабатывается и заканчиваться в ближайшее время точно не планирует). Проект этот родом из 1970-ых, первый БН-600 запустили в 1980 году, за шесть лет до Чернобыля. Несмотря на то, что БН-ы были устаревшими еще в двухтысячных, проект решили продолжить и в 2015 запустили БН-800, а сейчас готовят площадку для БН-1200.

Главная проблема этого типа реакторов – медленный процесс наработки делящегося материала. Поэтому сейчас в Росатоме планируется переход на производство другого реактора из прошлого. Проект Прорыв занимается разработкой реактора со свинцовым теплоносителем с названием БРЕСТ.

Первый реактор будет экспериментальным, теоретически он решает проблему низкой скорости наработки топлива. Сейчас идет согласование. После экспериментального реактора планируется запустить коммерческую версию. Из-за определенных сложностей с финансированием [10,11] может возникнуть ситуация, что ради БРЕСТа строительство БН-1200 перенесут еще раз.

Еще одной серьезной проблемой атомной энергетики можно считать низкую подвижность. АЭС до неприличия большие и требуют внушительную сопутствующую инфраструктуру в виде города-спутника для размещения персонала с семьями и технологических комплексов (например, рядом АЭС с быстрыми реакторами желателен перерабатывающий топливо завод).

Разумеется, велись и ведутся разработки и в области гибкости атомной энергетики, новости в этой области публикуются почти ежемесячно [14,15,16,17,18].

Однако, целесообразность все еще остается под вопросом. Реакторы средней мощности можно использовать как мобильные энергосети.

Плавучая атомная теплоэлектростанция (ПАТЭС) (проект «Академик Ломоносов») позиционируется как универсальное решение для прибрежных районов [19]. В рамках энергоснабжения прибрежной российской территории это перспективный проект. Главные потенциальные потребители в России – Газпром и удаленные населенные пункты.

Высокая автономность ПАТЭС способствуют внедрению. Перспективы данной разработки определит успешность работы «Академика Ломоносова».

В рамках экспорта появляется еще одна проблема – любой атомный проект вне страны необходимо хорошо охранять, лучше всего – армией и флотом. Это не только увеличит LCOE, но и породит геополитические проблемы.

Помимо прочего, серьезный минус АЭС – низкий КПД преобразования тепловой энергии в электрическую. Как следствие – высокие показатели теплового загрязнения.

V. КТО ТОТ ГЕРОЙ?

Мы по одну сторону барикад, просто точка зрения разная

Николай Вододохов в диалоге с Антоном Федотовым.

Пока рано говорить о том, какой станет энергетика будущего. Однако ясно одно – победа должна быть одержана на основании технологического и экономического превосходства, а не политических и популистских действий. Выступления девочки-подростка и подобных деятелей могут не иметь связи с реальностью и скорее мешают переходу на новую энергетическую парадигму. Очень важно, чтобы общественность подходила к вопросу ответственно и противодействовала или содействовала той или иной стороне на основании знаний об отрасли, а не эмоций. В свою очередь обязанность крупных игроков не только придерживаться политики открытости, но и вести просветительскую деятельность. В ином случае весьма вероятен исход, при котором главным орудием в борьбе станет пропаганда без связи с действительностью. И я лично сомневаюсь в том, что этот исход приведет к конструктивному диалогу и каким-либо долгосрочным выгодам.

Статья написана в рамках первого выпуска журнала «Стройка Века»:
«Атом: делимый и неделимый».
Поблагодарить авторов и получить в подарок красивую пдф-версию можно по ссылке.

Читайте также о истории становления мирного атома в СССР.

И подписывайтесь на нашу рассылку:

Подписаться на рассылку

Над статьей работали:

Автор: Овчинников К.А.
Редактор: Иван Нестеров.
Эксперты: Вододохов Н.С., Иван Нестеров, Антон Федотов.
Верстка: Федотов А.А.

Список литературы

[1] Збигнев К.Б. Великая шахматная доска. Господство Америки и его геостратегические императивы // Международные отношения. 2010.
[2] Александров Ю.Л. Сравнительный анализ развития электроэнргетики России и Евросоюза // Вестник Государственного университита управления 2014. — №1.
[3] Итоговый отчет деятельности РосАтома за 2018 год // РосАтом. 2018.
[4] Полные затраты на производство электроэнергии // Агентство по ядерной энергетики. 2018.
[5] Федотов А.А. Возобновляемая энергетика — будущее» или «туманное будущее возобновляемой энергетики // Журнал Стройка Века [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://centuryarch.ru/proizvodstvo/energetika/vozobnovlyaemaya-energetika-i-eeperspektivy.html — Заглавие с экрана — (Дата обращения 01.01.2020).
[6] Блуждающие во тьме. Аварии и блэкауты — итог развития альтернативной энергетики в Германии // Ecoleaks — блог экологических скептиков [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://ecoleaks.info/razvitie-alternativnoy-energetiki-v-germanii-avarii-iblekautyi/ — Заглавие с экрана — (Дата обращения 20.06.2020).
[7] Тояма Т. Германия: энергетический поворот — путь в пропасть? // Информационное агенство REX [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://iarex.ru/articles/56370.html — Заглавие с экрана — (Дата обращения 20.06.2020).
[8] Биятто Е.В. Зависимость электропотребления от влияния различных факторов. : Анализ потребления электроэнергии по ОЭС и энергосистемам 2012–2014 гг. // Молодой ученый. — 2015. — №6
[9] Рютер Г. Больше ”зеленой” энергетики, меньше угольной: ФРГ снижает выбросы СО2 // Информационное агенство DW [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://p.dw.com/p/3VrDx — Заглавие с экрана — (Дата обращения 20.06.2020).
[10] Фишман Р. Атомный могильник: как хранят радиоактивные отходы // Журнал Популярная Механика [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.popmech.ru/technologies/417782-atomnyymogilnik-kak-hranyat-radioaktivnye-othody/ — Заглавие с экрана — (Дата обращения 20.06.2020).
[11] Фомичева А. Бюджет переведут на быстрые нейтроны // Газета Коммерсант. №61. — 2015.
[12] Дятел Т. Инвестпрограмма энергетики не выдержала перегрузки // Газета Коммерсант. №26. — 2018.
[13] Дятел Т. Атомной энергетике рассчитали инвестиции // Газета Коммерсант. №140. — 2019.
[14] Малые модульные реакторы // Сайт МАГАТЭ [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.iaea.org/ru/temy/malye-modulnyereaktory — Заглавие с экрана — (Дата обращения 20.06.2020).
[15] Малая атомная энергетика и автономные энергоисточники // Сайт физики-энергетического института имени А.И. Лейпунского [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.ippe.ru/nuclearpower/small-power-npp — Заглавие с экрана — (Дата обращения 20.06.2020).
[16] Гибалов В. Битвы ядерных компактов: рыночные перспективы малых АЭС. // Газета известия. 2019.
[17] Малые модульные реакторы: глобальные перспективы // Журнал АтомЭксперт [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://atomicexpert.com/small modular reactors — Заглавие с экрана — (Дата обращения 20.06.2020).
[18] Информационный портал ”Атомная энергия 2.0”. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.atomic-energy.ru/SMR — Заглавие с экрана — (Дата обращения 20.06.2020).
[19] Плавучие атомные теплоэлектростанции (ПАТЭС) // Сайт компании РосЭнергоАтом [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.rosenergoatom.ru/development/innovatsionnyerazrabotki/razrabotka-proektov-aes-s-reaktorami-novogopokoleniya/plavuchie-atomnye-teploelektrostantsii-pates/ — Заглавие с экрана — (Дата обращения 20.06.2020).
[20] Галковская В.Е. Оценка влияния номера рецикла на топливную составляющую себестоимости различных типов реакторов // Вестник ИГЭУ. 2018. — №2.
[21] Япония — трудности экспорта // Информационный портал Atominfo [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://atominfo.ru/newst/a0929.htm — Заглавие с экрана — (Дата обращения 20.06.2020).

Изображения взяты из открытых источников и используются в образовательных целях

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *