Когда мы обсуждаем оптимальный путь развития энергетического сектора на ближайшие 30 лет для достижения нулевого уровня выбросов углекислого газа, одной из важных переменных является реальный потенциал геотермальной энергии. Прямо сейчас в США геотермальная энергия вырабатывает 0,4% всей нашей электроэнергии. Это почти ничтожно мало и не поможет нам достичь нашей цели без увеличения на порядок или более. Какова вероятность того, что мы сможем ввести в эксплуатацию геотермальные источники энергии в течение 20-30 лет?
Производство электроэнергии в больших масштабах в основном связано с вращением турбин, которые вращают магнит внутри катушки проводящего кабеля, генерирующего электрический ток в проводах. Турбины приводятся в движение двумя основными способами – механическим или с помощью пара, который, в свою очередь, генерируется каким-либо источником тепла. Гидроэлектростанции и ветряные турбины вращают турбины с помощью механической энергии. При сжигании ископаемого топлива или на атомных электростанциях вырабатывается тепло для создания пара. Солнечные фотоэлектрические системы являются исключением, поскольку они непосредственно преобразуют солнечный свет в электричество за счет фотоэлектрического эффекта. Но прямой захват солнечной энергии может использовать солнечный свет для повторного нагрева объекта, создания пара и приведения в действие турбины.
Геотермальная энергия использует пар, создаваемый естественным теплом под поверхностью земли, для приведения в действие турбины для выработки электроэнергии. В недавнем выступлении на TEDx Мэтт Хауд, соучредитель компании, занимающейся геотермальной энергетикой, отметил, что в недрах земли достаточно тепла, чтобы обеспечивать энергией наш мир в течение миллиарда лет. Это практически неограниченный источник энергии. Почему же тогда эта проблема не решена – вся энергия, которая может нам понадобиться в обозримом будущем (возможно, дольше, чем просуществует человеческая цивилизация на Земле), находится прямо у нас под ногами? Проблема в том, что до тепла трудно добраться.
Из прочитанного мной следует, что существует три вида геотермальной энергии, в зависимости от нашей способности получать доступ к теплу. Современная геотермальная энергия, доля которой составляет 0,4%, использует природные горячие источники, которые находятся вблизи поверхности или на ней. Например, в Бойсе, штат Айдахо, здание отапливается непосредственно природными горячими источниками. Вы также можете использовать воду с поверхностным подогревом для выработки электроэнергии. Это был низко висящий плод геотермальной энергии, но если мы хотим увеличить ее на порядок, нам нужно развивать то, что называется передовой геотермальной энергией. В этом подходе используется технология, разработанная в индустрии гидроразрыва пласта, позволяющая бурить скважины до получения тепла, при необходимости закачивать воду (если ее еще нет), а затем использовать эту нагретую воду для приведения в действие турбин.
Каков потенциал передовых геотермальных технологий? Я читал разные оценки, но они варьируются от 4 до 6% от текущего производства электроэнергии в США к 2050 году. Вот карта (также изображенная выше) США, показывающая температуру на глубине 7 км. Современные технологии бурения позволяют достичь примерно такой глубины, но не более того. Но бурение на глубине 3-7 км обходится дорого и требует времени. Даже если мы примем самые высокие оценки, 6% производства энергии в США к 2050 году – это неплохо, но это также не станет серьезным решением для обезуглероживания. Можем ли мы пойти дальше этого?
Именно это Хоуд и надеется сделать. Его компания разрабатывает технологию микроволнового бурения, которая испаряет породу по мере ее прохождения. Проблема в том, что эта технология все еще находится в лаборатории. Он надеется пробурить свои первые скважины в ближайшие несколько лет, совершенствуя технологию, позволяющую бурить все глубже и глубже. Он хочет достичь глубины в 10 км и более. С каждым километром углубления расширяется карта потенциальных источников геотермальной энергии. Самой глубокой скважиной, пробуренной на сегодняшний день, является Кольская скважина, глубина которой достигла 12 км и на которую ушло почти 20 лет. Очевидно, что нам необходимо значительно усовершенствовать эту технологию. Несмотря на то, что у этого проекта есть потенциал, отчасти именно поэтому размышления о будущем геотермальной энергетики могут стать таким неожиданным открытием. Как будет работать эта технология, сколько времени это займет и сколько это будет стоить?
Я думаю, суть в том, что мы не можем полагаться на технологию глубокого бурения, которая разрабатывается только сейчас, и уж точно не к 2050 году. Даже продвинутая геотермальная энергия по-прежнему в значительной степени является технологией будущего, но она находится в более отдаленном развитии. Если оценки точны, то к 2050 году мы, вероятно, можем рассчитывать на то, что геотермальная энергия обеспечит около 4% наших потребностей в электроэнергии, что в 10 раз больше, чем сегодняшние 0,4%. Если мы учтем это при оценке потенциала каждого источника энергии, что мы получим?
В настоящее время доля гидроэлектроэнергии в США составляет около 6%, а к 2050 году она может возрасти до 9%. Это предполагает постоянный спрос, что маловероятно, поэтому эти цифры, скорее всего, будут ниже. На самом деле, мощность гидроэлектростанций может увеличиться лишь настолько, чтобы поддерживать ее на уровне 6% или около того по мере увеличения спроса. Наибольший потенциал для существенного роста имеют ветровая и солнечная энергия. В настоящее время доля ветра составляет 9,2%, а солнечной энергии – 2,8%. У этих источников есть две проблемы: они требуют интенсивного землепользования и работают с перебоями. Не вдаваясь в дискуссию о верхнем пределе использования энергии ветра и солнца, давайте просто скажем, что, по разным оценкам, к 2050 году они могут вырасти.
Если мы установим солнечные панели на каждой крыше в стране, это покроет 30% спроса на электроэнергию. Это позволило бы избежать проблемы землепользования. Но 100–процентный потенциал крыши нереален – допустим, мы достигнем 66% потенциала, так что солнечная энергия будет вырабатывать 20% нашей электроэнергии. Если мы также будем настоятельно рекомендовать солнечным установкам на крышах иметь резервные батареи, это значительно снизит перебои в работе. Это может, по крайней мере, привести к тому, что пик производства будет соответствовать пиковому спросу в тот же день, а это очень важно.
Ветер как непостоянный источник создает меньше проблем, потому что, если его распространить на достаточно большую территорию, периодичность будет усредняться (в отличие от солнечного света). Но у нас все еще есть проблемы с землепользованием. Возможно, наилучший потенциал для использования ветра находится на шельфе, который в любом случае более эффективен, а также во многом решает проблему землепользования. Потенциал ветра зависит от того, насколько далеко мы готовы его использовать в менее оптимальных местах. Но прогнозирование 30%-ной ветроэнергетики к 2050 году находится в пределах разумного. Для этого потребуется обновить сетку и сохранить некоторые данные в памяти. Я знаю, что некоторые сочтут эти прогнозы слишком оптимистичными, другие – слишком пессимистичными, но суть в том, чтобы придерживаться среднего подхода. В любом случае, это мысленный эксперимент с использованием усредненных прогнозов.
Если к 2050 году у нас будет 6% гидро-, 4% геотермальной энергии, 20% солнечной и 30% ветровой, то 40% останется неучтенным. В настоящее время доля атомной энергии составляет 18,9%, а ископаемого топлива – 61%. Многие из наших атомных электростанций выводятся из эксплуатации, так что 18,9% могут сократиться, если мы не продлим срок их службы и не заменим их. Вот почему я говорю, что на ближайшие 30 лет наш реальный выбор – между ядерным и ископаемым топливом. Какой бы процент из оставшихся 40% не был ядерным, это будет в основном ископаемое топливо (есть небольшой процент других источников энергии, таких как биомасса, который вряд ли изменится). Вы можете поиграться с цифрами, если хотите, но это самый реалистичный прогноз, который я могу составить, объединив множество источников. Если вы считаете, что процент использования энергии ветра и солнца будет ниже, тогда нам нужно еще больше ядерной энергии. Гидро- и геотермальная энергия, скорее всего, не будут сильно отличаться от этих прогнозов.
С другой стороны, если вы считаете, что ветровая и солнечная энергия могут составлять 80-90%, то это пока совершенно недоказанный прогноз. Каждый раз, когда люди пытаются опровергнуть это утверждение каким-либо примером, они приводят в пример подмножество сети (например, Великобританию, Германию или Калифорнию) и упускают из виду, что эти местоположения обеспечивают высокую степень проникновения, используя другие точки в той же сети для сбалансирования спроса и предложения. Это не считается, потому что нам нужно, чтобы это работало для всей сети. Кроме того, прогнозы с высоким уровнем проникновения часто предполагают наличие большого объема памяти в сети. Пока мы работаем над этим, мы не можем предполагать, что это сработает. Важный момент заключается в том, что у нас не будет времени скорректировать курс, если через 20-30 лет мы поймем, что хранение энергии в сети займет гораздо больше времени, чем мы думали. Это означает, что мы должны начать строить атомную энергетику сейчас, даже “ускорить” ее за счет упрощения правил. Если мы сможем запустить значительное количество новых атомных электростанций через 10-30 лет, они заменят электростанции, работающие на ископаемом топливе, и будут удерживать нас до тех пор, пока не заработает глубокое бурение для получения геотермальной энергии, или массивные энергосистемы хранения, или даже термоядерный синтез. Они более реалистичны для второй половины этого столетия, а не для 2050 года.
МГЭИК согласна с тем, что без ядерного оружия нет решения. Цифры просто не работают. Любые другие прогнозы – это невероятное принятие желаемого за действительное, и мы просто не можем рисковать. В противном случае эти 40% или около того будут обеспечиваться ископаемым топливом, и температура воздуха превысит 1,5 градуса.
