По законам экономики и физики

Традиционные виды генерации к 2070 году по-прежнему будут занимать значительную долю в мировом топливном балансе, считает Юрий Петреня, генеральный директор «Силовых машин»
По законам экономики и физики
Юрий Петреня, член-корреспондент Российской академии наук, доктор физико-математических наук, профессор. Генеральный директор «Силовых машин»
Фотография: «Силовые машины»

Прокомментировать будущее традиционной энергетики и ее взаимодействие с возобновляемыми источниками энергии мы попросили Юрия Петреню, члена-корреспондента Российской академии наук, доктора физико-математических наук, профессора. В июле прошлого года он был назначен на пост генерального директора компании «Силовые машины», а до этого занимал должность заместителя генерального директора — технического директора. Входящие в компанию предприятия — Ленинградский металлический завод, «Электросила», «Красный котельщик» — в свое время изготовили основное оборудование для большей части тепловой, атомной и гидроэнергетики СССР и России.

— Юрий Кириллович, все чаще говорят, что потенциала для повышения эффективности у традиционной энергетики практически не осталось, зато он есть у энергетики альтернативной, прежде всего солнечной. Сейчас промышленно выпускают солнечные панели с эффективностью более 20 процентов (и, кстати, Россия неожиданно для меня оказалась одним из мировых лидеров по выпуску промышленного оборудования с КПД 23 процента). Но, главное, параллельно очень быстро снижается стоимость киловатт-часа энергии солнечных и ветровых станций. Некоторые ставят вопрос даже так: если солнечная энергетика станет дешевле, то кому тогда будет нужна традиционная, кто будет вкладываться во все эти паротурбины, парогенераторы, теплообменники и прочее?

— На эту тему идет много общественных и даже профессиональных дискуссий, споров, предлагаются различные варианты решений. Почему эти споры идут так долго, если, судя по большинству публикаций в СМИ, впереди нас ждет однозначная победа возобновляемых источников энергии? На мой взгляд, когда начинаются такого рода дискуссии, в них происходит пересечение и накладывание друг на друга абсолютно разных задач и целей. И если не определить, о чем конкретно ты говоришь, то все эти обсуждения могут продолжаться бесконечно и безрезультатно.

magnifier.png  Выработка одного мегаватта мощности на российском ядерном проекте ВВЭР-ТОИ требует примерно 240 квадратных метров на мегаватт. А солнечные батареи, при условии что они работают круглые сутки, — 30 тысяч квадратных метров

Поэтому я бы фрагментировал эту чересчур общую тему и разбил ее на конкретные вопросы. Когда мы говорим о возобновляемой энергетике, на какие вопросы нам надо было бы ответить? Первое: какой объем выработки энергии требуется? С какими потерями будет связано достижение этого объема? Я неслучайно показываю на сугробы за окном. В Петербурге солнечные элементы будут работать один час в сутки в это время года. И у здешней станции, пересчитанной к суточному циклу, КПД будет равняться одной десятой процента. Это несерьезно. Это означает, что массовое использование солнечных станций (СЭС) в нашем регионе приведет только к росту затрат и тарифов.

— Тем не менее, все чаще говорят о сетевом паритете и о том, что электроэнергия, вырабатываемая с использованием тех же СЭС, в конечном итоге сможет конкурировать с электричеством, производимой традиционными энергокомпаниями, и даже станет даже дешевле ее.

— На самом деле это продолжение общего разговора, в то время как значение этого сетевого паритета определить совсем непросто. Нужно учитывать много факторов: стоимость изготовления солнечных батарей, расходы на установку, текущую и будущую цены на электроэнергию. И, конечно, очень важно, сколько солнечного света получает конкретный регион в разное время года и, соответственно, сколько часов в год может функционировать солнечная батарея. В Италии количество солнечных часов в год вдвое больше, чем в Германии, и очевидно, что этот фактор существенно влияет на значение сетевого паритета. О наших широтах я уже сказал. К тому же в российских городах на отопление уходит вдвое больше энергии, чем потребляется электричества. Мы что, перейдем на электрическое отопление? С другой стороны, если мы говорим про Калифорнию, где среднегодовая температура плюс 25 и 350 дней в году солнечные, наверное, да — такой паритет скорее всего достижим или уже достигнут. Поэтому ясно, что есть некоторые ограничения (географические, климатические и так далее) и ВИЭ не могут закрыть все энергопотребности повсеместно, потому что не все живут в Калифорнии. Что же касается Калифорнии, там только пыль надо вовремя с панелей смахивать и смывать (все они, кстати, в пустыне расположены), потому что эффективность СЭС резко падает при загрязнении. Очевидно, что у ВИЭ есть и другие ограничения.

— В частности, непостоянный характер выработки электричества.

— Эта проблема, конечно, как-то будет решаться с постепенным развитием технологий промышленного хранения энергии, хотя не думаю, что быстро, так как принципиально новых технологий в этой области не вижу. Но в любом случае понятно, что электричество, вырабатываемое фотоэлементами, не передается непрерывно в сеть — в отличие от электроэнергии, производимой на традиционной электростанции. Как и ветровые установки, солнечные батареи функционируют с перерывами. Они вырабатывают мало электроэнергии в облачные дни и совсем не вырабатывают по ночам.

magnifier.png  В Петербурге солнечные элементы будут работать один час в сутки в это время года. И у здешней станции, пересчитанной к суточному циклу, КПД будет равняться одной десятой процента. Это несерьезно. Это означает, что массовое использование, например, солнечных станций в нашем регионе приведет только к росту затрат и тарифов

Непостоянный характер выработки электричества СЭС существенно влияет на потребности в инвестициях. Один гигаватт установленной мощности для солнечных батарей и для угольных или атомных электростанций — это не один и тот же гигаватт. Поэтому, когда мы говорим о солнечных батареях и ветровых установках, необходимо различать установленную мощность и фактическую выработку электроэнергии. Например, в Германии прошлой зимой у энергетиков была большая проблема, связанная с тем, что в регионе в течение двух недель не светило солнце и одновременно не дул ветер, так что немцы испытали колоссальные трудности с энергообеспечением.

ПЕТР ЛИН ПРОГНЗ.png

Когда мы говорим об альтернативной, солнечной и прочей, энергетике, мало от кого в общественном пространстве можно услышать слово «ресурс», никто не обсуждает необходимость резервирования ВИЭ мощностями традиционных станций и создания распределенных сетей, а также ресурсы всех элементов таких станций. Они же не работают пятьдесят-шестьдесят лет, правда? И они точно требуют ремонта, обслуживания, замены и прочих вещей. В то же время выпуск солнечных панелей не самое идеальное с экологической точки зрения производство. Заметьте, мало кто, кроме специалистов, обсуждает эти проблемы в комплексе. Мало говорится о влиянии инфразвука, вырабатываемого ветроэнергетикой, на окружающую среду.

В итоге многие эксперты считают, что концепция сетевого паритета рассматривает только прямые затраты для потребителей, а не общие затраты для всей системы, которые, кроме всего прочего, включают в себя еще и вложения в создание и поддержание резервной мощности и дополнительные инвестиции в линии электропередачи и системы регулирования сетей, а также льготы и другие нерыночные стимулы. Все это повышает сложность, а значит, и стоимость энергетической системы в целом, что в итоге покрывается рынком, то есть в конечном счете теми же потребителями.

— Я читал в одном вашем интервью, что такое «непостоянство» выработки ВИЭ приводит в том числе к проблеме маневрирования и к снижению ресурса оборудования традиционных электростанций, работающих в базовом режиме.

— Прежде всего следует понимать, что регулирование традиционными блоками большой мощности в сети просто невыгодно, так как неэффективно используется топливо. Во-вторых (это вопрос любой генерации), возникают проблемы с надежностью. Маневренные режимы работы приводят к возникновению переменных напряжений, которые плохо влияют на конструктивную прочность и надежность оборудования. Сами принципы проектирования турбины, которая должна работать в переменных режимах, и машины, работающей в базовом режиме, существенно различаются. К чему приводит использование оборудования, которое сделано для базового режима, но вынужденно работает «маневренно», мне рассказывали и показывали коллеги на новой тепловой электростанции в Германии. Так как в стране действует приоритет покупки электроэнергии с рынка возобновляемых источников и лишь затем с тепловых, то в итоге при непостоянном характере выработки ВИЭ станция, созданная для базовой нагрузки, фактически работает в маневренном режиме, и в результате лопаточный аппарат турбины часто повреждается и необходима частая замена лопаток. Дело в том, что маневренные условия работы сопровождаются проявлением процессов усталости, которые приводят к разрушению металла при напряжениях значительно ниже его прочности при статической нагрузке. В итоге разрушение от усталости при переменных нагрузках происходит в 80–90 процентах всех случаев аварий. Запишут эти расходы конкретных энергокомпаний с традиционной генерацией в расчеты сетевого паритета? Едва ли.

Фотография: «Силовые машины» // В цехах «Силовых машин»
В цехах «Силовых машин»
Фотография: «Силовые машины»

— За последние пять лет инвестиции в новые мощности ВИЭ примерно вдвое превысили вложения в традиционную энергетику и составили 249,8 миллиардов долларов. Как вы объясняете тот факт, что инвестиции в ВИЭ сейчас превалируют над вложениями в традиционные электростанции?

— Это же абсолютно очевидно. Ведь когда мы говорим о новом строительстве, то видим, что быстро растет количество вводов станций на базе возобновляемых источников энергии. Но это что значит? Это значит, что финансы просто перераспределились в эту сферу за счет административного регуляторного управления, а не исходя из каких-то экономических или рыночных показателей, то есть фактически за счет принятия политических решений. Это льготное кредитование, введение ограничений по экологическим параметрам для традиционной энергетики, то есть это не естественная конкурентоспособность ВИЭ, а, вообще-то, управляемое на государственном уровне положение дел. Думаю, это правильно и обоснованно на первом этапе промышленного продвижения новых энерготехнологий, включая ВИЭ. На последующих этапах административная финансовая поддержка должна постепенно снижаться с переходом к чистым рыночным механизмам.

Это приведет к «естественной» конкурентоспособности, и тогда те же ВИЭ упрутся в ограничения, о которых мы с вами говорили, и, я думаю, все встанет на свои места. Например, в выручке одной из российских солнечных электростанций доля господдержки составляет более 95 процентов, а выручка от выработки и продажи электроэнергии при этом менее пяти процентов!

ПЕТР ВЫБРОС СО2.png

Я делал оценку, какая площадь необходима для одного мегаватта мощности на разных типах станций. Скажем, выработка одного мегаватта мощности на российском проекте ВВЭР–ТОИ требует примерно 220 квадратных метров. А солнечные батареи, при условии что они работают круглые сутки, — 30 тысяч квадратных метров. Смотрите, две крупнейшие СЭС, работающие в Калифорнии — Desert Sunlight и Topaz Solar Farm мощностью по 550 мегаватт — занимают совокупно 40 квадратных километров (почти 4000 гектаров), а, к примеру, Калининская АЭС (4000 мегаватт) — около 290 гектаров. При этом выработка американских СЭС составляет около трех миллиардов киловатт-часов, а КАЭС в 2017 году выработала свыше 32 миллиардов киловатт-часов электроэнергии.

Поэтому, если с учетом суточного цикла, интенсивности света и так далее мы попробуем заместить ближайшую к нам Ленинградскую АЭС (4000 мегаватт), мы должны солнечными батареями закрыть все вплоть до Мурманска (я говорю образно, конечно). Да, мы можем повысить КПД СЭС, но и тогда мы закроем панелями территорию не до Мурманска, а до Костомукши, это чуть поближе, но мы не получим сокращения занимаемых СЭС площадей на порядки, что необходимо для замены традиционных станций.

magnifier.png  Один гигаватт установленной мощности для солнечных батарей и для парогазовых или атомных электростанций — это не один и тот же гигаватт, так как солнечные батареи не работают по ночам и в облачную погоду. Поэтому, когда мы говорим о солнечных батареях и ветровых установках, необходимо различать установленную мощность и фактическую выработку электроэнергии

Вот еще один довод: в России примерно 220 гигаватт станций традиционной, условно говоря, электроэнергетики. Куда они исчезнут? Они что, все будет отключены и вместо них появится альтернативная энергетика? Они будут отключены в течение пяти или десяти лет? Конечно нет. То же и в других странах.

Совершенно ясно, что есть ограничения у традиционной энергетики, есть ограничивающие факторы у ВИЭ. Мы же Гегеля изучали: есть плюсы и есть минусы, всегда есть ограничения. И поэтому эти ограничения позволят определить адекватное место всем видам энергетики. Вместо доли альтернативной энергетики в несколько процентов появится доля 10, 15, даже 20 процентов, но не будет 70–80 и более. И точно не будет доминирования одного вида генерации над всеми остальными.

— Между тем руководство Siemens в лице исполнительного директора компании Джо Кэзера в конце года объявило о радикальном сокращении производства газовых турбин, поскольку рынок для них, прежде всего в Европе, съежился.

— Да, председатель правления Siemens господин Кэзер обнародовал позицию руководства в конце января этого года в Мюнхене на годовом собрании акционеров и сообщил (он и раньше говорил об этом), что компания намерена сократить выпуск теплового оборудования в целом, не только газовых турбин (ГТ), из-за того, что в развитых странах происходит падение спроса на него и, соответственно, цены. Это, на мой взгляд, очень понятная вещь с точки зрения ведения обычного бизнеса. Поскольку произошло перераспределение инвестиционных денег в пользу альтернативных источников, прямым эффектом стало то, что, например, в Германии, которая была рынком сбыта для Siemens, спрос уменьшился.

— Вас, руководителя крупнейшей энергомашиностроительной компании, должны радовать планы модернизации электроэнергетики. По данным Минэнерго, до 2030 года России требуется программа модернизации мощностей объемом около 40 гигаватт и стоимостью около полутора триллионов рублей, причем упор делается на обновление именно тепловой генерации.

— Вокруг целей и механизмов реализации этой программы сейчас разгораются довольно жаркие дискуссии. Но ее цели требуют доработки и уточнения, учета интересов различных сторон.

Программы, связанные с корректировкой энергетики в разных странах, в разных странах существовали и существуют, и за ними всегда стоит какая-то идея, то есть понимание, ради чего это делается. Например, какая модернизационная идея была в США, где к концу 1990-х годов двадцать процентов топливного баланса составлял мазут? Двадцать процентов — это гигантская цифра. Должен был закупаться огромный госрезерв нефти. Это ставило в зависимость от импортных поставок. И тогда была поставлена задача в течение двадцати лет уменьшить долю в балансе до десяти процентов. Это была цель. Первое: заместили часть станций, которые работали на мазуте. Второе: повысили выработку на других станциях за счет повышения эффективности и других оптимизационных мер. Имея цель уменьшить закупки нефти, американцы выстроили всю программу по энергетике и в конечном итоге цель эта была достигнута.

magnifier.png  В Германии немцы сами убили рынок газовых турбин. Теперь у Siemens основной рынок в Штатах, где продолжают строить парогазовые станции. Объем выручки корпорации здесь около 20 миллиардов долларов в год, и поставка и обслуживание газовых турбин — большая составляющая этой суммы

В Японии была задача минимизировать дорогостоящую зависимость от ввозимого топлива. Поэтому у них направление только одно: повышать эффективность, несмотря на ее стоимость. Поэтому и атомная энергетика у них так развита. И, несмотря на «Фукусиму», они же все равно возвращаются к теме ядерной энергетики, чтобы обеспечить себя электроэнергией. Поэтому у них программы модернизации, которые при повышении эффективности существенно продлевают срок службы оборудования, программы создания угольных блоков на температуру 700 градусов и так далее.

Мы, как энергомашиностроительная компания, точно будем участвовать в такой российской программе, мы сделаем все, что необходимо, с учетом ее стратегической цели, чтобы нам самим к ней подготовиться, найти эффективные решения, недорогие способы дальнейшей модернизации и повышения эффективности. Мы должны говорить о принципиально новых подходах к проектированию и созданию машин — задействовать модульный или пазловый принцип, позволяющий устаревшую часть заменить на что-то другое, сразу учитывать возможность модернизации, минимизацию затрат в последующие периоды эксплуатации. Уверен, в ближайшие годы этот вопрос выйдет на первый план.

Фотография: «Силовые машины» // «Силовые машины» будут участвовать в программе модернизации российской энергетики
«Силовые машины» будут участвовать в программе модернизации российской энергетики
Фотография: «Силовые машины»

— Юрий Кириллович, можно ли говорить, что создание новых материалов тоже может угрожать спокойствию традиционной энергетике, так как способно привести к серьезному снижению энергопотребления? Поясню свой вопрос: разработчики говорят, к примеру, что добавки долей процента одностенных углеродных нанотрубок в бетон увеличивают его прочность в полтора раза, а пенобетона — вдвое. По идее тех же разработчиков этих трубок, конструкция высотного сооружения может быть изготовлена из наномодифицированной стали, которая в полтора раза прочнее исходной. В этом случае нагрузка металлоконструкций на опоры уменьшится также в полтора раза, но поскольку и материал опор — тот же бетон — становится за счет нанодобавок в полтора раза прочнее, потребность в металле уменьшится уже более чем в два раза. Согласно этой логике сокращение расхода топливных, энергетических, человеческих и других ресурсов должно происходить на каждой стадии производства и использования материалов — от добычи сырья и производства до разноуровневой логистики и монтажных работ, и это — в условиях предпочтения ВИЭ — окажет негативное влияние прежде всего на традиционную энергетику.

— Это, конечно, очень здорово, что действительно появляются принципиально новые материалы с принципиально новым уровнем характеристик и свойств. Но вообще-то это происходило всегда. Если мы посмотрим, как развивалась традиционная энергетика, то увидим, что она переходила на другие параметры работы энергоблоков именно тогда, когда появлялись и осваивались другие материалы, которых до этого не было. При простых углеродистых сталях температура пара в энергоблоках не превышала 300 градусов, потом появились хромомолибденовые — температура поднялась до 400. Хромистые стали повысили температуру до 600 градусов. Соответственно росла и эффективность оборудования. Дошли до никелевых сплавов. И точно так же были ожидания революционных изменений в энергетике, но выяснилось, что повышение эффективности при этом обходится слишком дорого. Поэтому переходить к 700 градусам и более высоким параметрам не очень торопятся, хотя это может повысить КПД паровых станций до 50 процентов с очень приличными экологическими показателями. Есть материал, есть технологии, но не торопятся их массово внедрять, потому что дорого. То есть идет развитие в части материалов и соответствующее развитие техники, но наступает ограничение либо стоимостное, либо еще какое-то, и все это дело начинает стабилизироваться, и вы начинаете только улучшать предыдущее поколение техники.

magnifier.png  Как только ВИЭ окажутся в условиях «естественной» конкуренции, все встанет на свои места. Определится адекватное место всех видов энергетики. Вместо доли альтернативной энергетики в несколько процентов появится 10, 15, даже 20, но не будет 70–80 процентов и более. И точно не будет доминирования этого вида генерации над всеми остальными

Приведу известный пример из другой области. Еще в 1930-е годы академик Анатолий Петрович Александров в Физико-техническом институте проводил опыты, в результате которых на тонких нитях из стеклянных и других материалов достигалась фактически их теоретическая прочность. За счет чего? С поверхности убирали все микродефекты. Травили в кислоте, сложными способами зачищали. Резкое увеличение прочности было доказано, но широкого практического применения не получилось. Почему? Потому что, во-первых, дорого, а во-вторых, малейшие повреждения изменяли хрупкую прочность того же стекла. И эти достижения нашли применение только в каких-то очень специальных вещах. Так же и сейчас: появляются очень хорошие материалы, но сколько они стоят сами по себе и какова стоимость внедрения технологии на массовом уровне? Я с трудом представляю себе сооружение моста через Неву, который будет гораздо легче и сделан из этих материалов, но уверен, что даже с использованием упрочненных материалов стоимость этого моста будет в разы выше традиционного.

Когда мы говорим о принципиально новых материалах, сильный прогресс может быть, по моему мнению, не в макроконструкциях и не в макроизделиях, а там, где мы, наоборот, работаем с маленькими масштабами. Микросхемы, микророботы, биотехнологии — то есть там, где вы можете очень дорогой материал использовать в маленьких масштабах, тем самым снижая стоимость конечного продукта в целом. Но, безусловно, это не грозит теми прибылями, конечно, если говорить о модифицировании всего бетона, производимого в мире, и других массовых продуктов, которые и интересуют маркетологов в первую очередь, за исключением каких-то отдельных рынков.

И очевидно, что модифицирование материалов рано или поздно упрется в свои ограничения, оставив за ними специфические области применения и отдельные рынки. В принципе, это замечание относится к любым применениям новых материалов в строительной промышленности, машиностроении, электронике и так далее.

Почему надо развивать новые виды генерации, включая ВИЭ, новые материалы и новые технологии? Взаимодействие этих новых направлений с традиционными, обмен знаниями, возможность появления новых эффективных комбинаций между освоенными и перспективными энерготехнологиями могут дать новые эффекты, новый облик будущей энергетики. Причем связан он будет не с ликвидацией отдельных видов генерации в пользу других, а с их правильным балансом и взаимодействием. Правильный баланс помогут установить законы экономики и физики.



Темы: Интервью

Еще по теме
Руководитель ВНИИФТРИ Сергей Донченко считает, что очередной и не столь далекий технический прорыв человечества будет св...