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 ограничения 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 солнечная энергия, 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 от 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 энергетики сопоставим с возобновляемыми источниками. [35] Общественное противодействие ядерной энергетике 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 затем масштабирования, означает, что она не будет способствовать достижению нулевой 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 производство энергии ветра почти утроилось с 2015 года. [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 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 на 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 выработка 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 улавливает углекислый газ из дымового газа электростанций или другой промышленности, транспортируя его в подходящее место, где он может быть надежно захоронен в подземном резервуаре. Хотя все задействованные технологии используются, а улавливание и хранение углерода происходит в других отраслях (например, на газовом месторождении Слейпнер ), ни один крупномасштабный интегрированный проект еще не был запущен в эксплуатацию в энергетической отрасли.
Усовершенствования существующих технологий улавливания и хранения углерода могут сократить затраты на улавливание CO2 по меньшей мере на 20–30 % в течение примерно следующего десятилетия, в то время как новые технологии, находящиеся в стадии разработки, обещают более существенное снижение затрат. [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 квадриллиона 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 электросети. [ 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 установленной 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.