Влияние возобновляемых источников энергии на перспективы атомной энергетики

Введение
Какие способы получения электроэнергии будут преобладать, учитывая современные тенденции развития общества? Сегодня основные источники мирового (глобального) производства электрической энергии таковы (см. инфографику).
Наибольший вклад в глобальную мощность вносят энергосистемы Китая, США, Японии, Индии и РФ.

Общий объем произведенной электроэнергии в 2014 году составил 22 433 ТВт∙ч (см. инфографику).

Согласно прогнозу Международного энергетического агентства, этот объем увеличится и достигнет к 2020 году отметки 25 800 ТВт∙ч и 36 500 ТВт∙ч — к 2040 году.
Рассмотрим основные факторы, влияющие на объем выработки электроэнергии:

• темпы экономического роста;
• баланс спроса и предложения на электроэнергию;
• национальная политика и международные соглашения, направленные на уменьшение или ограничение использования того или иного источника производства электроэнергии;
• техническое состояние активов;
• численность населения страны.

Общепринятый метод оценки затрат при эксплуатации энергомощностей разного типа основан на коэффициенте приведенной стоимости электроэнергии (Levelized cost of electricity — LCOE). LCOE равен отношению средних совокупных расходов (или полной стоимости) на сооружение и эксплуатацию генерирующих активов к общему объему произведенной ими электроэнергии и определяет минимальную стоимость, по которой электроэнергия должна продаваться в целях безубыточности на протяжении всего жизненного цикла объекта.

Таблица 1. Основные факторы, влияющие на оценку стоимости жизненного цикла

Рис 1. Чистый прирост производства электроэнергии из возобновляемых источников, ГВт [10]

LCOE для конкретного источника энергии сильно зависит от сделанных допущений (например, он не включает такие факторы, как ущерб здоровью со стороны угольных электростанций, влияние выбросов СО2 на изменение климата, подкисление океана, сдвиги океанических течений), условий финансирования и анализа технологического развития.

В частности, предварительный расчетный коэффициент использования установленной мощности (КИУМ, или capacity factor — отношение реальной отдачи от электростанции к ее максимальному потенциалу) оказывает существенное влияние на расчет LCOE. Затраты на вывод из эксплуатации АЭС, как правило, также не включаются в расчет LCOE (США является исключением, поскольку там стоимость вывода из эксплуатации включена в стоимость электроэнергии согласно Закону о политике ядерных отходов — Тhe Nuclear Waste Policy Act).

В РФ в фонд средств для вывода АЭС из эксплуатации поступает около 3% от годовой выручки, делаются отчисления на обращение с РАО. За переработку и захоронение ОЯТ «Росэнергоатом» платит сразу, как только передает его в централизованное хранилище. Все эти затраты и отчисления включаются в себестоимость киловатт-часа, выработанного АЭС.

Исходя из вышесказанного, основные факторы, влияющие на LCOE, таковы:

• капитальные затраты;
• операционные и амортизационные расходы;
• затраты на топливо;
• условия финансирования;
• коэффициент использования установленной мощности;
• срок службы актива;
• термодинамические и технологические характеристики актив

В исследовании энергетической экономики США, проведенном инвестиционным банком Lazard [33], утверждается, что ветроэнергетика и большая солнечная энергетика — самые дешевые способы получения электроэнергии. Без учета субсидий LCOE в ветроэнергетике составил 32−77 $/МВт·ч, в большой солнечной энергетике — 50−70 $/­МВт·ч, в парогазовой генерации — 52−78 $/МВт·ч, в угольной генерации — 65−150 $/МВт·ч, на газотурбинных электростанциях — 68−101 $/МВт·ч, в ядерной энергетике — ­97­-­136 $/­МВт·ч, в дизельной генерации — 212−281 $/МВт·ч.

Нижеприведенный исторический обзор прогнозов величины LCOE, составленный Международным энергетическим агентством, показывает, что максимальные снижения LCOE за последние шесть лет достигнуты в береговой ветроэнергетике (-57%), фотовольтовой солнечной энергетике (-79%) и газотурбинном комбинированном цикле (-30%).

Таблица 2. Исторический обзор прогнозов величины LCOE, составленный МЭА по проектам 2010‒2016 гг. [3]

Ископаемые виды топлива продолжают наиболее широко использоваться в производстве электроэнергии. Электростанции на ископаемом топливе всегда характеризовались очень высокими и предсказуемыми КИУМ. Например, типичная электростанция на газе в США выдает примерно 70% от своего потенциала (снижение от 100% объясняется сезонными колебаниями потребления и расходами на обслуживание).

Однако в связи с распространением возобновляемой энергетики КИУМ для станций на ископаемом топливе существенно снижается (см. инфографику). Причина в том, что после введения в эксплуатацию новой солнечной или ветряной станции она дает практически бесплатную электроэнергию (затраты на топливо равны нулю), в то время как на ТЭС выработка каждого нового ватта требует очередной порции топлива. Поэтому, если энергетическая компания имеет возможность выбора, она выбирает бесплатный вариант.

Так возникает «самоускоряющееся циклическое движение» (см. инфографику). КИУМ угольных и газовых ТЭС тем меньше, чем больше строится станций на возобновляемых источниках. Следовательно, LCOE станций на угле и газе будет повышаться, а прибыль энергетических компаний — становиться менее предсказуемой.

Основной недостаток ТЭС — загрязнение окружающей среды: тепловое и дымовыми газами (от сгорания топлива, транспортировки шлака). Особенно сильно загрязняют окружающую среду угольные электростанции. Крупнейший источник выбросов углекислого газа — Китай. Примерно 80% китайских ТЭЦ используют уголь. Дымовой туман, вызванный работой угольных ТЭЦ и предприятий тяжелой промышленности в Китае, — его давняя и постоянная проблема.

Именно из-за загрязнения окружающей среды угольными ТЭЦ экологические нормы в США, Китае, Индии и Мексике направлены на увеличение доли природного газа и возобновляемых источников энергии в структуре потребления энергоресурсов.

Гидроэнергетика
Самый распространенный ВИЭ — гидроэнергетика (76%). При выработке электроэнергии гидроэлектростанции не производят парниковых газов, токсичных отходов и твердых частиц.

Установленная мощность в гидроэнергетике увеличилась за последние 20 лет примерно в два раза [7]. Считается, что данный сектор имеет двукратный резерв роста, скрытый в мощности потоков воды, текущих по всему миру.

Рис. 2. Установленная мощность в гидроэнергетике (Твт) [7]

Огромные ресурсы скрывает волновая гидроэнергетика, дающая сегодня только 1% добываемой электрической энергии. Незначительное применение станций волновой энергетики объясняется высокой себестоимостью получаемой на выходе энергии.

Основная проблема ГЭС — создаваемый ими экологический дисбаланс, особенно в нижних течениях рек. Гидроэлектрические проекты нарушают экосистемы. Вода, вытекающая из дамбы, отличается по температуре и прозрачности от воды выше по течению. Это может вызвать береговую эрозию и подвергнуть опасности жизнь растений и животных, а также негативно влияет на популяцию рыб.

Несмотря на позиционирование гидроэнергетики как «зеленой», ГЭС все же могут быть причиной выбросов парниковых газов в странах с тропическим климатом.
Из-за угрозы экологических проблем правительство Чили в 2014 году отклонило проект компании HidroAysen, предлагавшей строительство дамб на пяти реках Патагонии [29].

Строительство плотины Рогунской ГЭС привело к транснациональному спору о водопользовании между Таджикистаном, на территории которого формируются стоки основных рек, и Узбекистаном, располагающимся ниже по течению и пользующимся основными объемами водных ресурсов.

Еще одна важная проблема — необходимость переселения людей. К примеру, в Китае строительство плотины для ГЭС «Санься» мощностью 22,5 ГВт привело к выселению 1,2 млн человек.

Следует упомянуть и о положительных эффектах от строительства гидротехнических сооружений. Плотины снижают пики наводнений. Вышеупомянутая ГЭС «Санься» была построена в первую очередь не как генератор энергии, а в целях контроля экстремальных наводнений.

Еще одним минусом гидроэнергетики можно назвать довольно низкий коэффициент использования установленной мощности. Казалось бы, ввиду прямого преобразования механической энергии воды в электрическую и отсутствия термодинамического цикла КПД ГЭС должен быть высоким. Однако на самом деле он составляет порядка 50%. То есть один гигаваттный блок в лучшем случае выдает 500 мегаватт. Это также сказывается на перспективах развития гидроэнергетики.

Недостаточно изучен вопрос о том, как нивелировать экологические последствия при выводе ГЭС из эксплуатации, так как ни одну из крупнейших гидроэлектростанций еще не выводили. Ясно одно: вывод ГЭС из эксплуатации потребует больших бюджетных затрат.

Согласно прогнозам МЭА, 80% больших ГЭС в предстоящие полтора-два десятилетия будут построены в развивающихся странах. В Африке, Азии, Южной Америке и странах бывшего СССР велик неосвоенный гидропотенциал, а вопросы экологии играют меньшую роль, как в силу менее строгих экологических стандартов, так и по причине относительно невысокой политизированности этих вопросов.

Рис. 3. Возобновляемые источники энергии в мире

Одно из основных препятствий для развития гидроэнергетики — сложность финансирования проектов строительства ГЭС. Капитальные затраты растут с ростом стоимости цемента, стали и чугуна, что негативно отражается на LCOE. Правительствам придется искать частные инвестиционные компании и международные организации, такие как Всемирный банк, чтобы финансировать новые гидротехнические проекты.

Исследователи Оксфордского университета обнаружили, что в большинстве стран стоимость крупных проектов плотин в процессе строительства увеличивалась в среднем на 57% по сравнению с запланированной [28]. Таким образом, уровень доходности по некоторым проектам может оказаться отрицательным.

Если на начальной стадии проекта проблемы окружающей среды, экологии, переселения людей не оценены в полной мере или не рассмотрены вовсе, то вряд ли найдутся желающие инвестировать в строительство. Частные инвесторы, наученные горьким опытом (пример — индийский проект «Сардар Саровар»), предпочитают вкладывать средства в тепловые проекты.

В последние десятилетия во всем мире стала быстро развиваться малая энергетика. Малая гидроэлектроэнергетика обладает уникальными преимуществами. Это зрелая технология с небольшими затратами капитала при строительстве станций и относительно быстрым возвратом инвестиций (до пяти лет), которая минимизирует экологический ущерб, наносимый водохранилищами крупных ГЭС, и гарантирует энергоснабжение в изолированных и труднодоступных районах.

Несмотря на то что в результате строительства плотин по всему миру была затоплена территория, равная площади Калифорнии, население, равное по численности населению Германии, вынуждено было переселиться, а пресные воды превратились в экосистемы с угрозой вымирания редких видов, гидроэнергетика, всемирно признанный источник экологически чистой энергии, играла и будет играть важную роль в глобальном энергобалансе.

Причем большая гидроэнергетика будет востребована преимущественно в развивающихся станах, а малая, экономически более эффективная, с учетом положительной реакции международного сообщества, — как в развитых, так и в развивающихся странах.


Ветряная и солнечная энергетика
Возобновляемая энергетика вышла на первое место в мире по темпам прироста установленной мощности среди всех видов энергоресурсов. Доля солнечной и ветровой энергии в глобальном потреблении электричества за последние четыре года удвоилась [9].

МЭА в конце октября 2016 года повысило на 13% свой прошлогодний пятилетний прогноз роста для возобновляемых источников энергии [38]. Это связано с политической поддержкой ВИЭ в таких странах, как США, Китай, Индия и Мексика, а также с резким сокращением ее стоимости. Даже низкие цены на уголь и газ не в состоянии предотвратить глобальную трансформацию энергетического рынка.

Рис. 4. Суммарная установленная мощность ветроэнергетики в мире в 2012—2016 гг., МВт [12]

Мы привыкли думать, что революция альтернативных источников энергии — это далекое будущее. Однако в 2015 году, впервые в истории, ввод новых энергетических мощностей, работающих на возобновляемых источниках, достиг 153 ГВт, или 55% всех введенных мировых энергетических мощностей.

Гистограмма «Чистого прироста производства электроэнергии из возобновляемых источников» (по данным агентства Bloomberg New Energy Finance — BNEF) [10]) прогнозирует «бум чистой энергии» на 2015−2021 годы.

МЭА ожидает, что к 2021 году возобновляемые источники будут обеспечивать 42% мировых потребностей в энергии. Совсем скоро станет трудно назвать возобновляемые источники альтернативными. Стоимость ветряков снижается [11]. КИУМ для ветра увеличивается из-за того, что ветряки становятся выше, а их лопасти — длиннее и легче, что позволяет им работать даже при небольшой силе ветра.

Турбины устанавливаются повсеместно: в лесах, полях, на побережьях, в прибрежных водах морей и океанов (оффшорные парки). Даже в густонаселенных мегаполисах архитекторы умудряются внедрить ветрогенераторы в конструкции небоскребов, переведя последние на частичное самообеспечение.

Для координации усилий и быстрого реагирования на изменения запросов рынка ветровой энергии создана международная некоммерческая организация WWEA (World Wind Energy Association) со штаб-квартирой в Германии.

В пятерку стран с самой развитой ветроэнергетикой входят: Китай, США, Германия, Индия, Испания. Развитие ветроэнергетики в таких странах ЕС, как Великобритания и Франция, связано в первую очередь с постепенным отказом от использования атомной энергии. Перечисленные страны не только активно строят ветропарки, но и являются ведущими разработчиками и производителями турбинного оборудования, наряду с Германией.

WWEA прогнозирует рост ветроэнергетики в мире [12,2].

Возможности России в части генерации ветровой энергии (которые сегодня практически не используются) оцениваются в 30% от общего электроэнергетического потенциала страны. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года предполагает «увеличение относительного объема производства и потребления электрической энергии с использованием возобновляемых источников энергии (кроме гидроэлектростанций установленной мощности более 25 МВт) с 1,5 до 4,5%» [30]. К 2020 году суммарный показатель мощности ветропарков России должен достигнуть 3 ГВт.

Согласно оценкам журнала Forbes [27], ГК «Росатом» вложит 83 млрд рублей в строительство ветроэлектростанций в России. Площадка для выпуска оборудования — одно из предприятий «Атомэнергомаша».

Таблица 3. Страны с наиболее развитой ветроэнергетикой, МВт [12]

Недостаток ветровой энергетики — ее зависимость от силы ветра: поступления сгенерированного электричества в общую сеть происходят неравномерно. Поэтому полностью отказаться от традиционных ГЭС, ТЭЦ и АЭС на данном этапе развития альтернативной энергетики не представляется возможным, так как они необходимы для стабилизации работы сетей.

Если построить ветропарки во всех подходящих районах и объединить их в единую сеть, мы все равно не сможем получить постоянный и надежный источник электричества, так как существует проблема эффективной доставки выработанной электроэнергии до конечных потребителей, расположенных слишком далеко от электрогенераторов.

Кроме того, мощные ветропарки также оказывают воздействие на окружающую среду: нагревают почву, влияют на микроклимат и популяции птиц.

Рис. 5. Технологические тенденции увеличения масштаба ветряков и LCOE [11]

Рис. 6. Динамика развития солнечной энергетики в 2000‒2015 гг. [13]

Рис. 7. Капитальные расходы для берегового ветра и PV-проектов в 58 странах, не входящих в ОЭСР [14]

По прогнозам IHS Technology, к концу 2017 года совокупная глобальная установленная мощность фотоэлектрических установок превзойдет 300 ГВт. В 2010 году она составляла всего 40 ГВт. Около 70% совокупной мощности будут вырабатываться в Китае, США, Японии, Германии и Италии.

Лидерами в солнечной энергетике в 2015 году были Китай, Япония и США [13].
По данным BNEF [14], в некоторых странах (включая Китай, Индию и Бразилию) в 2016 году солнечная энергия стала самой дешевой.

Совершенствование технологии изготовления фотоэлементов постоянно повышает их мощность и эффективность, а также снижает стоимость. С 2000 года произошло пятикратное снижение цен на солнечные батареи.

Развитию солнечной энергетики способствует подписание большинством стран договора на конференции «COP‑21», посвященной проблеме климатических изменений. В договоре планируется существенное увеличение доли возобновляемой энергетики во всем мире в ближайшие годы.

Фактически у солнечной энергии есть только один существенный недостаток — это зависимость мощности солнечных электростанций от времени суток, времени года и погодных условий. Энергетическая система с такой надежностью имеет очень ограниченные области применения.

Проблема зависимости от солнечного излучения может быть решена двумя путями: строительством солнечных электростанций по экватору и объединением их в сеть либо созданием аэростатных (орбитальных) солнечных станций.

Таким образом, короткий инвестиционный цикл и быстрые сроки ввода мощностей в эксплуатацию — главные преимущества солнечной и ветровой энергетики. Тормозит их глобальную экспансию отсутствие подходящего способа аккумулирования солнечной и ветровой энергии.

Рис. 8. Динамика снижения стоимости солнечных батарей [15]

Рис. 9. Мировая установленная солнечная pv-мощность в 2006‒2012 гг. и прогноз на 2020 г. [16]

Ядерная энергетика
Атомная энергетика сегодня представлена 449 коммерческими ядерными энергетическими реакторами, действующими в 30 странах, с общей установленной мощностью более 392 ГВт.

По данным World Nuclear Association (WNA) [17] на 1 января 2017 года, в мире сооружается 60 реакторов и запланировано сооружение 164. Самое большее количество реакторов планируется построить в Китае (40), РФ (25), Индии (20), США (18), Японии (9), Южной Корее (8).

Страны — лидеры по установленной мощности в данной области: США, Франция, Япония, Россия, Южная Корея. Прогнозы WNA, сделанные в 2016 году, предполагают увеличение установленной мощности на 30% (до 510 ГВт) к 2030 году (низкий и высокий прогнозы: 376 и 643 ГВт) [19].

Ядерная энергетика дает надежную базовую нагрузку на сеть. Реакторы высокой мощности генерируют большое количество электрической энергии, занимая при этом относительно небольшую площадь. АЭС отличаются наивысшим КИУМ.

Рис. 12. Распределение действующих энергетических реакторов по длительности эксплуатации на декабрь 2015 г. [21]

Используемый в тепловых легководных реакторах 235U является конечным ресурсом.

По различным оценкам, разведанных запасов 235U при существующих технологиях добычи хватит на 60−100 лет.

Все еще не решена проблема радиоактивных отходов. Несмотря на то что в странах с ядерной энергетикой они составляют менее 1% от всех промышленных токсичных отходов, отходы атомной промышленности чрезвычайно опасны, и о них нужно тщательно заботиться в течение нескольких тысяч лет (10 000 лет согласно стандартам Агентства по охране окружающей среды США). Однако эти проблемы можно решить путем замыкания ядерного топливного цикла.

Работы в этом направлении ведутся в целом ряде стран. Генерация ядерной энергии производит относительно низкие объемы углекислого газа (CO2). Поэтому вклад АЭС в глобальное потепление ничтожен. Это основное преимущество атомной энергетики перед энергетикой на ископаемых видах топлива.

Хорошие перспективы у атомной энергетики малой и средней мощности. Мир наконец понял, что ниша использования малых реакторов может быть существенно шире, чем транспорт, особенно в странах с неразвитыми энергетическими системами. Во-первых, маленькие станции по сравнению с большими строятся недолго и сразу приносят доход.

Таблица 4. Состояние АЭ в ведущих странах мира

Рис. 13. Соотношение доли ядерной энергетики в мировом энергобалансе с установленной мощностью в 1900–2014 гг. [23]

Во-вторых, возможно модульное заводское изготовление реакторных установок с последующим составлением из них блоков различной мощности. К примеру, южнокорейские компании построят в Саудовской Аравии два реактора типа SMART контрактной стоимостью в $ 2 млрд [26]. С учетом всех описанных тенденций, происходит ли вытеснение атомной энергетики с глобального рынка?

Вот несколько фактов. В мире с 2006 года вводится меньше ядерных генерирующих мощностей, чем ветровых и солнечных. По итогам 2015 года совокупная установленная мощность ветряных электростанций в мире превзошла мощность атомных.
Атомная энергетика имеет наивысшую стоимостную неопределенность (наивысшее отклонение стоимости от первоначальной цены) (см. рис. 15). Доля мировой атомной энергетики стабильно снижается (см. рис. 13).

Средний срок службы действующих реакторов растет. Если в 2010 году он составлял 25 лет, то в 2015 году из 447 действующих ядерных энергетических реакторов 250 находились в строю 30 и более лет (см. рис. 12)

Новые индустриальные страны, прежде всего Китай и Индия, стремятся к получению ядерных технологий. Состояние атомной энергетики в ведущих странах мира описано Таблицей 4.

Рис. 14. Ежемесячные КИУМ для выбранных типов топлива и технологий [20]

Рис. 15. Средняя стоимость эскалации по видам проектов [22]

Выводы
Мир входит в новую эру — эру низкоуглеродной энергетики, которая характеризуется существенными переменами в отношении заказа на поставку электроэнергии и снижением прямого и скрытого субсидирования традиционной энергетики.

Основной источник неопределенности сегодня — скорость перехода к низкоуглеродной энергетической системе. Прогнозируемые тенденции развития атомной энергетики из года в год выглядят все менее оптимистичными. Пересмотр приоритетов в сторону понижения доли ядерной энергии последовал за аварией на АЭС «Фукусима-1» (Япония).

Нерешенная проблема замыкания топливного цикла и экономическая неконкурентоспособность могут поставить крест на атомной генерации электроэнергии уже в XXI веке. Однако рынок вывода из эксплуатации и обращения с ОЯТ и РАО останется.

География будущего ГК «Росатом», связанная со строительством АЭС, в ближайшее время сосредоточится в развивающихся странах. Реализация строительных компетенций ГК «Росатом» на развитых рынках сегодня маловероятна. Но она станет возможной после успешного завершения проекта строительства АЭС «Ханхикиви» в Финляндии.

Рынок развитой экономики активно завоевывает Китай (пример — проект АЭС «Хинкли-Пойнт С» в Великобритании, строительство которой предполагается по французским технологиям, но с привлечением китайских инвестиций [24]).

Таким образом, в условиях декарбонизации мировой энергетики доминирующими источниками генерации электрической энергии станут ВЭИ (преимущественно энергия солнца и ветра) и атомная энергетика. Однако сегодня атомная энергетика проигрывает борьбу за рынок. Переломить ситуацию можно только путем внедрения кардинально новых технологий, которые позволят изменить многолетнюю тенденцию к росту удельной капитальной стоимости и операционных затрат.

Без решения проблемы конкурентоспособности атомной энергетики с возобновляемыми источниками энергии на горизонте в десятки лет она сможет рассчитывать лишь на «нишевые» рынки и имиджевые проекты в условиях дальнейшего сокращения доли атомной энергетики в мировом энергобалансе. В этом сценарии проблема топливоиспользования теряет остроту и, соответственно, потребность в замыкании ядерного топливного цикла отодвигается на десятки лет.