К 2050 году Европа собирается в основном перейти на энергию солнца и ветра — да только цены на импортируемые ею цветные металлы и редкоземельные элементы могут взлететь до небес. Впрочем, кажется, всё поправимо.
Исследователи во главе с Оливье Видалем (Olivier Vidal) из Института Жозефа Фурье (Франция) бьют тревогу: западный мир освободится от нефтегазовой зависимости в обмен на новую — от конструкционных и редкоземельных материалов!
Учёные, что называется, даже не думают подвергать сомнению генеральную линию партии: хотя сейчас ветер и солнце дают около 1% от всей электрогенерации мира, уже к 2050 году эта цифра (по ряду прогнозов) вырастет до более чем 100% современного энергопотребления. В частности, авторы работы считают реальным прогноз в 25 трлн кВт•ч в год — при сегодняшней общей генерации около 21 трлн кВт•ч. Так вот, просчитав последствия столь всеобъемлющей перестройки мировой энергетики, исследователи настоятельно рекомендуют заранее обеспокоиться мерами по борьбе с последствиями победоносного внедрения «альтернативы».
Объём потребления железобетона и различных металлов, необходимый для достижения солнечно-ветровой генерации в 25 трлн кВт•ч в год к середине века. Пунктиром показано сегодняшнее производство этих ресурсов. (Здесь и ниже, если не указано иное, иллюстрации Olivier Vidal.)
Сегодня ветроэлектростанции (ВЭС) работают в среднем треть года (30%), а самые массовые солнечные (на фотоэлементах) — лишь 15%, так что гелиостанция выдаёт за год вчетверо меньше энергии, чем газовая ТЭС той же мощности. На строительство одного мегаватта мощности газовой ТЭС тратится 82 т железобетона, 58 т стали, 0,26 т алюминия и столько же меди. Для сравнения: расход материалов на мегаватт мощности ВЭС равен 400 т железобетона, 130 т стали, 3 т алюминия и 1,15 т меди. Мегаваттная гелиоЭС на кремниевых фотоэлементах и вовсе нуждается не менее чем в 1 100 т ж/б, 170 т стали, 35 т алюминия, 4,5 т меди и 69 т стекла.
Да, так и есть: сегодня солнечная энергия требует для получения киловатт-часа в 13,5 раза больше бетона, в 17,3 раза — меди и в 135 раз — алюминия, нежели ТЭС. Но прежде чем вы побежите за акциями «Норникеля», ещё одна информация к размышлению: французские исследователи полагают, что есть более заманчивые сферы для вложения капиталов.
ЕС сегодня потребляет 20% мировых металлов, в то время как внутри блока их получают всего 5%. Тотальная солнечно-ветровая парадигма к 2050 году увеличит потребности европейцев в металлах (особенно цветных) так сильно, что нефтегазовая зависимость попросту сменится алюминиево-медной.
Чтобы создать альтернативную энергетику, производящую по 25 трлн кВт•ч в год уже к середине века, потребуется 310 млн т алюминия и 40 млн т меди. Но это хотя бы реально: мировое производство этих металлов уже сейчас довольно велико. Сложнее ситуация с редкоземельными элементами: ВЭС требуют мощных магнитов, в том числе тех, что основаны на лантаноидах. Наконец, индий, селен, теллур и редкоземельные элементы, используемые при изготовлении солнечных батарей, к 2030 году понадобятся в куда бóльших количествах, чем их сегодня производят, а по ряду элементов спрос может подпрыгнуть на 230%. Очевидно, цены на них в этом случае серьёзно подскочат, а предсказать масштабы их роста к 2050 году сейчас вообще невозможно.
Но даже если производство соответствующих элементов и вырастет, цена на них, очевидно, тоже изменится, что поставит под угрозу весь план перехода на новую энергетику. Как же быть?
Г-н Видаль и Ко считают, что массовое внедрение возобновляемой энергетики возможно лишь после тщательного планирования энергосистемы в целом и разработки таких конструкций электростанций, которые после завершения своего жизненного цикла можно было бы полностью использовать повторно для получения тех редких и дорогих элементов, что пошли на их производство. Кроме того, в будущем следует отказаться от использовании редких элементов в конструкциях новых ветряков и солнечных батарей, заменив их на более распространённые, недорогие и доступные на внутриевропейском рынке.
Хотя ресурс нынешних ветряков всего 30 лет, ничто не мешает после его окончания извлечь из них редкоземельные элементы для последующего использования. (Иллюстрация B. Christopher / Alamy.)
Почти все тезисы французов разумны и вполне реалистичны: алюминий и медь, не говоря уже о лантаноидах, экономически оправданно применять вторично уже сегодня, а кремниевые солнечные батареи и нынче используют не так много редкоземельных элементов.
А вот проецирование дня сегодняшнего в будущее, которое проделали французские исследователи, кажется нам до некоторой степени прямолинейным. У эоловой и гелиоэнергетики огромный потенциал роста эффективности, и его реализация в самом разгаре. Да, гелиоЭС требуют огромного количества конструкционных материалов и электропроводящих кабелей, поскольку фотоэлементы разбросаны на большой площади, а не сосредоточены в одном месте, как турбины ТЭС. Но рост КПД однослойных солнечных батарей к 2050 году сегодня очень трудно спрогнозировать, и, согласно некоторым недавним работам, он вполне может превысить 50% вместо нынешних 20%, серьёзно скорректировав материалоёмкость солнечного киловатт-часа.
Наконец, уже сегодня фотоэлементы используются не более чем на 60% своего потенциала, так как обычно их располагают горизонтально либо под небольшим углом к плоскости. 30–40% падающей на квадратный метр солнечной энергии при этом теряется, поскольку в странах умеренного климата угол оптимальной установки батарей 95% времени отличается от горизонтального. Недавнее появление роботов, оптимально ориентирующих фотоэлементы без вмешательства человека, позволяет закрыть этот вопрос и повысить отдачу на тонну материалов солнечнобатарейных электростанций в 1,5 раза.
Ещё больший вклад в рост КПД может внести воплощение проектов типа Desertec: в Южной Испании и Италии (и тем более в Северной Африке) гелиоЭС в два и более раз эффективнее, чем их недавно возведённые аналоги в окрестностях Берлина. Реализация оптимально ориентированных гелиоприёмников в южной части ЕС, не говоря уже о неизбежном росте их КПД, способна поднять эффективность применения материалов в возобновляемой энергетике до уровня, когда их дефицит будет весьма умеренным.
Материалоёмкость по определению децентрализованной солнечной энергетики пока, разумеется, значительно выше тепловой, однако в ближайшие десятилетия ситуация может выправиться.
В этом смысле прогнозы группы Оливье Видаля могут оказаться подобием алармистских настроений начала XX века, когда первые легковые авто тратили 100 л на 100 км, и перспективы массовой автомобилизации заставляли многих считать, что нефть к середине века будет слишком дорогой, из-за чего имеет смысл уже сегодня разрабатывать паровые автомобили. Технический прогресс в молодых отраслях часто меняет эффективность использования ими сырья до такой степени, что уже через несколько десятилетий такие прогнозы чаще вызывают улыбку, чем тревогу за будущее.
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Geoscience (после регистрации доступен полный текст).
Подготовлено по материалам The Conversation.
Источник: compulenta.computerra.ru
