Низкоуглеродная электроэнергия или низкоуглеродная энергия — это электроэнергия, произведенная с существенно меньшими выбросами парниковых газов в течение всего жизненного цикла, чем при производстве электроэнергии с использованием ископаемого топлива . [ необходима ссылка ] Переход к низкоуглеродной энергии является одним из важнейших действий, необходимых для ограничения изменения климата . [1]
Источники низкоуглеродной генерации электроэнергии включают ветровую энергию , солнечную энергию , ядерную энергию и большую часть гидроэнергетики . [2] [3] Термин в значительной степени исключает традиционные источники энергии на ископаемом топливе и используется только для описания определенного подмножества работающих систем генерации на ископаемом топливе, в частности, тех, которые успешно сочетаются с системой улавливания и хранения углерода из дымовых газов (CCS). [4] В глобальном масштабе почти 40% электроэнергии было выработано из низкоуглеродных источников в 2020 году: около 10% — ядерная энергия, почти 10% — ветер и солнце, и около 20% — гидроэнергетика и другие возобновляемые источники энергии. [1]
В конце 20-го и начале 21-го века важные выводы относительно глобального потепления подчеркнули необходимость сокращения выбросов углерода. Из этого родилась идея низкоуглеродной энергетики. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК), созданная Всемирной метеорологической организацией (ВМО) и Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП) в 1988 году, установила научный прецедент для внедрения низкоуглеродной энергетики. МГЭИК продолжает предоставлять научные, технические и социально-экономические консультации мировому сообществу посредством своих периодических оценочных докладов и специальных докладов. [5]
На международном уровне наиболее заметным [ по мнению кого? ] ранним шагом в направлении низкоуглеродной энергетики стало подписание Киотского протокола , вступившего в силу 16 февраля 2005 года, в соответствии с которым большинство промышленно развитых стран обязались сократить свои выбросы углерода. Историческое событие создало политический прецедент для внедрения низкоуглеродной энергетической технологии.
1 см. также воздействие водохранилищ на окружающую среду#Парниковые газы .
Список сокращений:
Существует множество вариантов снижения текущих уровней выбросов углерода. Некоторые варианты, такие как энергия ветра и солнца, производят низкие объемы выбросов углерода в течение всего жизненного цикла, используя полностью возобновляемые источники. Другие варианты, такие как ядерная энергия, производят сопоставимый объем выбросов углекислого газа как возобновляемые технологии в общем объеме выбросов жизненного цикла, но потребляют невозобновляемые, но устойчивые [10] материалы ( уран ). Термин « низкоуглеродная энергия » может также включать энергию, которая продолжает использовать мировые природные ресурсы, такие как природный газ и уголь, но только тогда, когда они используют методы, которые сокращают выбросы углекислого газа из этих источников при их сжигании в качестве топлива, например, по состоянию на 2012 год, пилотные установки, выполняющие улавливание и хранение углерода . [4] [11]
Поскольку стоимость сокращения выбросов в секторе электроэнергетики, по-видимому, ниже, чем в других секторах, таких как транспорт, сектор электроэнергетики может обеспечить наибольшее пропорциональное сокращение выбросов углерода при экономически эффективной климатической политике. [12]
Технологии производства электроэнергии с низким уровнем выбросов углерода используются в различных масштабах. В совокупности они составили почти 40% мирового производства электроэнергии в 2020 году, а ветряная и солнечная энергия — почти 10%. [1]
В докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата за 2014 год указано, что ядерная, ветровая, солнечная и гидроэнергетика в подходящих местах могут производить электроэнергию с выбросами парниковых газов менее 5% от жизненного цикла угольной энергетики. [14]
Гидроэлектростанции имеют преимущество в том, что они долговечны, и многие существующие станции работают более 100 лет. Гидроэнергетика также является чрезвычайно гибкой технологией с точки зрения эксплуатации электросетей. Крупные гидроэлектростанции обеспечивают один из самых дешевых вариантов на сегодняшнем энергетическом рынке, даже по сравнению с ископаемым топливом , и нет никаких вредных выбросов, связанных с работой станции. [15] Однако, как правило, существуют низкие выбросы парниковых газов с водохранилищами и, возможно, высокие выбросы в тропиках.
Гидроэлектроэнергия является крупнейшим в мире источником электроэнергии с низким уровнем выбросов углерода, на ее долю пришлось 15,6% от общего объема электроэнергии в 2019 году. [16] Китай на сегодняшний день является крупнейшим в мире производителем гидроэлектроэнергии , за ним следуют Бразилия и Канада .
Однако существует несколько существенных социальных и экологических недостатков крупномасштабных гидроэнергетических систем: перемещение людей, если они живут там, где запланированы водохранилища, выброс значительных объемов углекислого газа и метана во время строительства и затопления водохранилища, а также нарушение водных экосистем и жизни птиц. [17] В настоящее время существует прочный консенсус относительно того, что страны должны принять комплексный подход к управлению водными ресурсами, который будет включать планирование развития гидроэнергетики в сотрудничестве с другими секторами, использующими воду. [15]
Ядерная энергетика , доля которой в мировом производстве электроэнергии по состоянию на 2013 год составила 10,6%, является вторым по величине источником энергии с низким содержанием углерода. [18]
В 2010 году ядерная энергетика также обеспечивала две трети низкоуглеродной энергии двадцати семи стран Европейского Союза [19] , при этом некоторые страны ЕС получают большую часть своей электроэнергии из ядерной энергетики; например, Франция получает 79% своей электроэнергии из ядерной энергетики . По состоянию на 2020 год ядерная энергетика обеспечивала 47% низкоуглеродной энергии в ЕС [20] , при этом страны, в значительной степени основанные на ядерной энергетике, регулярно достигают интенсивности выбросов углерода в 30-60 гCO2-экв/кВт·ч. [21]
В 2021 году Европейская экономическая комиссия ООН (ЕЭК ООН) охарактеризовала ядерную энергетику как важный инструмент смягчения последствий изменения климата, который позволил предотвратить 74 Гт выбросов CO2 за последние полвека, обеспечивая 20% энергии в Европе и 43% низкоуглеродной энергии. [22]
Ядерная энергетика используется с 1950-х годов как низкоуглеродный источник базовой электроэнергии. [24] Атомные электростанции в более чем 30 странах вырабатывают около 10% мировой электроэнергии. [25] По состоянию на 2019 год ядерная энергетика вырабатывала более четверти всей низкоуглеродной энергии , что делает ее вторым по величине источником после гидроэнергетики. [26]
Выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла ядерной энергетики, включая добычу и переработку урана , аналогичны выбросам от возобновляемых источников энергии. [27] Ядерная энергетика использует мало земли на единицу произведенной энергии по сравнению с основными возобновляемыми источниками энергии. Кроме того, ядерная энергетика не создает локального загрязнения воздуха. [28] [29] Хотя урановая руда, используемая для топлива атомных электростанций, является невозобновляемым ресурсом, ее достаточно для обеспечения поставок на сотни или тысячи лет. [30] [31] Однако ресурсы урана, которые могут быть доступны экономически целесообразным способом, в настоящее время ограничены, и производство урана вряд ли сможет поспевать за фазой расширения. [32] Пути смягчения последствий изменения климата, соответствующие амбициозным целям, обычно предусматривают увеличение поставок энергии из ядерной энергетики. [33]
Существуют разногласия относительно того, является ли ядерная энергетика устойчивой, отчасти из-за проблем, связанных с ядерными отходами , распространением ядерного оружия и авариями . [34] Радиоактивные ядерные отходы должны утилизироваться в течение тысяч лет [34], а атомные электростанции создают расщепляющийся материал , который может быть использован для оружия. [34] На каждую единицу произведенной энергии ядерная энергия вызвала гораздо меньше несчастных случаев и смертей, связанных с загрязнением, чем ископаемое топливо, а исторический уровень смертности от ядерной энергии сопоставим с возобновляемыми источниками. [35] Общественное противодействие ядерной энергии часто делает атомные электростанции политически сложными для реализации. [34]
Сокращение времени и стоимости строительства новых атомных электростанций было целью на протяжении десятилетий, но стоимость остается высокой , а сроки длительными. [36] Различные новые формы ядерной энергии находятся в стадии разработки, в надежде устранить недостатки обычных электростанций. Реакторы на быстрых нейтронах способны перерабатывать ядерные отходы и, следовательно, могут значительно сократить количество отходов, требующих геологического захоронения , но пока не были развернуты на крупномасштабной коммерческой основе. [37] Ядерная энергетика на основе тория (а не урана) может обеспечить более высокую энергетическую безопасность для стран, не имеющих больших запасов урана. [38] Малые модульные реакторы могут иметь несколько преимуществ по сравнению с нынешними большими реакторами: их можно будет строить быстрее, а их модульность позволит снизить затраты за счет обучения на практике . [39]
Несколько стран пытаются разработать ядерные термоядерные реакторы, которые будут производить небольшое количество отходов и не будут иметь риска взрывов. [40] Хотя термоядерная энергетика сделала шаги вперед в лабораторных условиях, многодесятилетний период времени, необходимый для ее коммерциализации и последующего масштабирования, означает, что она не будет способствовать достижению нулевой чистой цели по смягчению последствий изменения климата к 2050 году. [41]
Ветроэнергетика — это использование энергии ветра для производства полезной работы. Исторически энергия ветра использовалась парусами , ветряными мельницами и ветряными насосами , но сегодня она в основном используется для выработки электроэнергии. В этой статье рассматривается только энергия ветра для выработки электроэнергии. Сегодня энергия ветра вырабатывается почти полностью с помощью ветряных турбин , как правило, объединенных в ветровые электростанции и подключенных к электросети .
В 2022 году ветер выработал более 2304 ТВт·ч электроэнергии, что составило 7,8% от мировой электроэнергии. [ 42 ] С учетом того, что в 2021 году было добавлено около 100 ГВт , в основном в Китае и США , глобальная установленная мощность ветроэнергетики превысила 800 ГВт. [43] [44] [45] 32 страны выработали более десятой части своей электроэнергии за счет энергии ветра в 2023 году, а с 2015 года производство ветра почти утроилось. [42] Аналитики говорят, что для достижения целей Парижского соглашения по ограничению изменения климата оно должно расширяться гораздо быстрее — более чем на 1% производства электроэнергии в год. [46]
Ветроэнергетика считается устойчивым , возобновляемым источником энергии и оказывает гораздо меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению со сжиганием ископаемого топлива . Ветроэнергетика изменчива , поэтому для обеспечения надежной подачи электроэнергии ей необходимы накопители энергии или другие управляемые источники генерации . Ветроэлектростанции, расположенные на суше, оказывают большее визуальное воздействие на ландшафт, чем большинство других электростанций, на единицу произведенной энергии. [47] [48] Ветроэлектростанции, расположенные в море, оказывают меньшее визуальное воздействие и имеют более высокие коэффициенты мощности , хотя они, как правило, более дорогие. [43] В настоящее время доля ветроэнергетики в море составляет около 10% новых установок. [49]
Ветроэнергетика является одним из самых дешевых источников электроэнергии на единицу произведенной энергии. Во многих местах новые береговые ветровые электростанции дешевле новых угольных или газовых электростанций . [50]
Регионы в более высоких северных и южных широтах имеют самый высокий потенциал для ветроэнергетики. [51] В большинстве регионов генерация ветроэнергетики выше в ночное время и зимой, когда выработка солнечной энергии низкая. По этой причине комбинации ветро- и солнечной энергетики подходят во многих странах. [52]
Солнечная энергия — это преобразование солнечного света в электричество, либо напрямую с использованием фотоэлектрических элементов (PV), либо косвенно с использованием концентрированной солнечной энергии (CSP). Концентрированные солнечные энергетические системы используют линзы или зеркала и системы слежения для фокусировки большой площади солнечного света в небольшой луч. Фотоэлектрические элементы преобразуют свет в электрический ток с использованием фотоэлектрического эффекта . [53]
Коммерческие концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах. Установка SEGS CSP мощностью 354 МВт является крупнейшей солнечной электростанцией в мире, расположенной в пустыне Мохаве в Калифорнии. Другие крупные установки CSP включают солнечную электростанцию Solnova (150 МВт) и солнечную электростанцию Andasol (150 МВт), обе в Испании. Проект Agua Caliente Solar Project мощностью более 200 МВт в США и парк солнечных батарей Charanka Solar Park мощностью 214 МВт в Индии являются крупнейшими в мире фотоэлектрическими станциями . Доля солнечной энергии в мировом потреблении электроэнергии на конец 2014 года составила 1%. [54]
Геотермальное электричество — это электричество, вырабатываемое из геотермальной энергии. Используемые технологии включают в себя электростанции сухого пара, электростанции мгновенного пара и электростанции бинарного цикла. Геотермальное производство электроэнергии используется в 24 странах [55] , тогда как геотермальное отопление используется в 70 странах. [56]
Текущая мировая установленная мощность составляет 10 715 мегаватт (МВт), с самой большой мощностью в Соединенных Штатах (3 086 МВт), [57] Филиппинах и Индонезии . Оценки потенциала генерации электроэнергии геотермальной энергией варьируются от 35 до 2000 ГВт. [56]
Геотермальная энергетика считается устойчивой , поскольку извлечение тепла невелико по сравнению с теплосодержанием Земли. [58] Интенсивность выбросов существующих геотермальных электростанций составляет в среднем 122 кг CO
2за мегаватт-час (МВт·ч) электроэнергии, что составляет небольшую часть от показателей обычных электростанций, работающих на ископаемом топливе. [59]
Приливная энергия — это форма гидроэнергетики , которая преобразует энергию приливов в электричество или другие полезные формы энергии. Первая крупная приливная электростанция ( Rance Tidal Power Station ) начала работу в 1966 году. Хотя приливная энергия пока не получила широкого распространения, она имеет потенциал для будущего производства электроэнергии. Приливы более предсказуемы, чем энергия ветра и солнца.
Улавливание и хранение углерода (CCS) улавливает углекислый газ из дымовых газов электростанций или других отраслей промышленности, транспортируя его в подходящее место, где он может быть надежно захоронен в подземном резервуаре. По состоянию на 2024 год CCS работает на пяти электростанциях по всему миру. [60]
Межправительственная группа экспертов по изменению климата в своем первом отчете рабочей группы заявила, что «большая часть наблюдаемого роста средних глобальных температур с середины XX века, скорее всего, вызвана наблюдаемым ростом концентрации антропогенных парниковых газов, способствующих изменению климата » . [61]
В процентном отношении ко всем антропогенным выбросам парниковых газов , на долю углекислого газа (CO2 ) приходится 72 процента (см. Парниковый газ ), и его концентрация в атмосфере увеличилась с 315 частей на миллион (ppm) в 1958 году до более чем 375 ppm в 2005 году. [62]
Выбросы от энергетики составляют более 61,4 процента всех выбросов парниковых газов. [63] Производство электроэнергии из традиционных источников угольного топлива составляет 18,8 процента всех мировых выбросов парниковых газов, что почти вдвое больше, чем выбросы от автомобильного транспорта. [63]
По оценкам, к 2020 году мир будет производить примерно в два раза больше выбросов углерода, чем в 2000 году. [64]
Европейский союз надеется подписать закон, который в следующем году обяжет все 27 стран союза достичь нулевого уровня выбросов парниковых газов .
Прогнозируется, что мировое потребление энергии увеличится с 123 000 ТВт·ч (421 квадриллион БТЕ ) в 2003 году до 212 000 ТВт·ч (722 квадриллиона БТЕ) в 2030 году . [65] Прогнозируется, что потребление угля почти удвоится за это же время. [ 66] Самый быстрый рост наблюдается в азиатских странах, не входящих в ОЭСР , особенно в Китае и Индии, где экономический рост стимулирует увеличение потребления энергии. [67] Внедряя низкоуглеродные варианты энергии, мировой спрос на электроэнергию может продолжать расти, сохраняя при этом стабильные уровни выбросов углерода.
В транспортном секторе наблюдается переход от ископаемого топлива к электромобилям, таким как общественный транспорт и электромобиль . Эти тенденции незначительны, но в конечном итоге могут увеличить спрос на электросеть. [ необходима цитата ]
Бытовое и промышленное тепло и горячая вода в основном поставлялись за счет сжигания ископаемого топлива, такого как мазут или природный газ, в помещениях потребителей. Некоторые страны начали предоставлять скидки на тепловые насосы, чтобы поощрить переход на электричество, что потенциально увеличивает спрос на сеть. [68]
Угольные электростанции теряют долю рынка по сравнению с низкоуглеродной электроэнергией, и все, что будет построено в 2020-х годах, рискует стать бесполезными активами [69] или бесполезными затратами , отчасти потому, что их коэффициенты использования мощности снизятся. [70]
Инвестиции в низкоуглеродные источники энергии и технологии растут быстрыми темпами. [ необходимо разъяснение ] Источники энергии с нулевым выбросом углерода производят около 2% мировой энергии, но на них приходится около 18% мировых инвестиций в производство электроэнергии, что привлекло 100 миллиардов долларов инвестиционного капитала в 2006 году. [71]
... атомные электростанции ... в настоящее время обеспечивают 1/3 электроэнергии ЕС и 2/3 его низкоуглеродной энергии.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link) Европейский стратегический план развития энергетических технологий (SET-Plan Towards a low-carbon future 2010). Атомная энергетика обеспечивает «2/3 низкоуглеродной энергии ЕС», стр. 6.