Forum of nations of the world * 世界のフォーラム国 * Форум народов мира. Nations.narod.ru

Альтернативная энергия в Японии – роскошь или необходимость?

05.04.2009 В этой статье приводится детальный анализ современного состояния альтернативной энергетики Японии. О существовании некоторых из описываемых здесь источников энергии многие читатели могли даже не догадываться. В то же время, в отдельных случаях такое нетрадиционное сырье имеет неплохие шансы на постепенное вытеснение нефти, угля и атома.

В стремлении избежать зависимости от углеводородного сырья Япония прибегает к самым различным мерам, например, к разработке альтернативных источников энергии. Энергия солнца, воды, ветра, казалось бы, обещает радужное будущее: эти ресурсы неистощимы, экологически чисты, не локализованы в одном месторождении, а распределены по всей стране. Нужно только, чтобы дул ветер, качались волны, светило солнце (а в Японии оно светит бóльшую часть дней в году), и остается лишь подставить специальное приспособление, чтобы собрать энергию его лучей, – и не нужна больше централизованная электрификация, не нужна переработка импортированной нефти, ведь можно прибегнуть к силам природы, которые раньше никто не воспринимал серьезно как источник энергии. Цены на нефть то взлетают, то падают, но здесь на выручку приходит биотопливо из экологически чистых сельскохозяйственных культур – и долой зависимость от очередного нефтепродукта и вредные выбросы! Будущее за альтернативной энергетикой (во всяком случае, в Японии) – именно такое впечатление создается при просмотре какой-нибудь японской брошюры о развитии новой энергетики. Правительство, действительно, акцентирует внимание на этой отрасли. В настоящее время Япония занимает передовые позиции по ряду показателей в альтернативной энергетике и в той или иной степени занимается разработкой всех ее видов. Но влияет ли это кардинальным образом на структуру энергопотребления, импорта энергоресурсов, на самообеспеченность энергоресурсами? Может ли альтернативная энергия заменить нефть? На самом деле, там, где есть плюсы, всегда есть минусы, и небо альтернативной энергетики не так безоблачно, как может показаться. Однако бессмысленно рассуждать гипотетически. Чтобы придать ясность несколько расплывчатой картине, давайте посмотрим, что происходит в каждой конкретной области новой энергетики в Японии.

Фотогальваническая энергия: во главе шеренги

Фотогальваническая энергетика, действительно, по праву возглавляет список новых источников - это визитная карточка Японии на мировом рынке альтернативной энергетики.

Обычно перечисление альтернативных источников энергии не начинают с мудреного слова «фотогальваника». Но поскольку эта область выбилась в лидеры, это только закономерно. На самом деле, мудреного здесь ничего нет – фотогальваническая энергия производится из солнечного света.

Фотогальванические элементы позволяют преобразовывать солнечный свет непосредственно в электрическую энергию.

Фотогальваническая система состоит из модуля (ячейки, генерирующие энергию) и прилагающейся системы компонентов. Большинство фотогальванических систем представлено в виде плоских тарелок, в которых свет немедленно поступает в модуль. Другой вид – фотогальванические концентраторы – с помощью оптической системы улавливают свет и передают его в небольшую по площади и высокоэффективную солнечную ячейку.

Япония занимает лидирующие позиции в мире по установленным мощностям фотогальванических систем (38,4% от мировых, второе место после Германии). Ресурсный потенциал в Японии оценивается в 8,5 млрд. Кл в нефтяном эквиваленте.

Фотогальваника рассматривается как наиболее перспективный альтернативный источник в Японии, и правительство выделяет большую часть бюджета на развитие этой области энергетики, что включает и внедрение фотоэлектрических систем в быт, и новейшие исследования, и введение в промышленное использование. Фотоэлектрические системы позволяют получать энергию в течение длительного времени с небольшими расходами на поддержание, поэтому для потребителя, не желающего зависеть от сетевого электричества, это может оказаться выгодным решением. Установив один раз такую систему, несмотря на ее высокую стоимость, теоретически, домашнее хозяйство приобретает источник энергии, который зависит исключительно от солнечного света. Несмотря на поддержку правительства и развитость этой отрасли в Японии по сравнению с другими странами, доля фотогальванической энергии во всей альтернативной энергетике крайне мала: из 1,1 трлн. КВтч электроэнергии, полученной в 2005 году, фотогальваническая энергия не составила и десятой доли процента.

Все же фотогальваническая система – дорогое удовольствие. Цены на установки имеют тенденцию к снижению, однако все же остаются высокими: в 2004 году цена установки составляла около 6 тыс. долларов на КВт энергии, а цена производства для домашних установок была в 3 раза выше цен на коммунальные услуги (около 60 центов на КВтч) и в 5 раз выше для крупных систем. Поэтому правительство субсидирует установку фотогальванических систем, и, кроме того, излишки энергии могут быть проданы поставщикам коммунальных услуг.

Фотогальваническая энергия имеет свои ограничения: большие суточные и сезонные колебания, низкая плотность энергии и низкая эффективность преобразования энергии.

Еще один момент: из-за небольших размеров крыш не каждый японец может беспрепятственно установить себе такую систему.

Солнечная термальная энергия: красиво, но не слишком выгодно

В 2006 году Япония занимала 4 место в мире по количеству установленных тепловых солнечных систем.

Потенциал солнечной энергии оценивается в 32,42 млн. Кл, причем Япония находится в зоне распределения солнечных лучей на втором по интенсивности уровне.

Солнечные коллекторы применяются для отопления домашних хозяйств, больниц, горячего водоснабжения, производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется теплая и горячая вода, проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые, таким образом, имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

Новые технологии в области солнечной тепловой энергии включают солнечные тепловые системы, интегрированные в крыши домов, а также гибридные сочетания солнечных термальных и фотоэлектрических.

Стоимость производства сравнительно невысока: около 60 иен на Кл в 2004 году (20-24 цента на КВт, начальные вложения от 3 до 7 тыс. долларов), но стоимость после падения в 90-х гг. до 20 иен в 2004 году снова вернулась на уровень 1975 года, поэтому на данный момент выгоднее использовать традиционные источники.

Энергия ветра: огромные турбины и большие планы

Конечно, нельзя забывать об энергии ветра. Кто бывал в Японии, должен был видеть множество ветряных мельниц на побережье. Как же обстоят дела в этой области?

Хотя установленные мощности составляли в 2005 году всего 1,9% от общемировых, они увеличиваются с каждым годом. Однако по установленным мощностям Японию отстает от США и Европы.

Одна седьмая часть территории Японии находится в зоне ветра со скоростью более 6 м/с – минимальной скоростью, необходимой для производства энергии. Если застроить все территории с необходимыми условиями турбинами, то установленные мощности будут составлять 25 миллионов КВт, что составит 20% от потребляемой энергии.

Как источник электричества ветер занимает незначительную долю в возобновляемых ресурсах: всего 0,2%.

Развитие ветряной энергетики активно поддерживается правительством, и ветер входит в состав источников, разрешенных законом RPS (Renewable Portfolio Standards Law).

Ветрогенераторы могут использоваться как в быту, так и в промышленности, как отдельно, так и в сочетании с другими источниками энергии как дополнительный источник, и это наиболее распространенный вариант в Японии из-за зависимости от условий ветра.

Энергия ветра с точки зрения затрат среди возобновляемых источников энергии ближе всего к коммерческому производству. Стоимость оншорной установки составляет около 1000 долларов США на КВт мощности, а стоимость производства – от 5 до 12 центов на КВтч в зависимости от расположения турбины, что в 1,4-2 раза выше стоимости коммунального электричества. Стоимость оффшорной установки выше примерно на 40%, но это окупается более высокой производительностью.

Однако все не так просто. Ветровые турбины в Японии подвержены ущербу при стихийных бедствиях. Например, в 2003 году исключительно сильный тайфун, налетевший на остров Мияко, повредил 7 ветряных турбин: у трех были повреждены лопасти, еще у трех – основа и у одной – покрытие.

К тому же, для турбин необходимо специфическое расположение и определенные условия ветра, что создает ограничения для развития этой области. Также ветряные турбины занимают обширные территории, что ограничивает установку оншорных турбин. Что же касается оффшорных турбин, то здесь пространство неограниченно, но установка таких турбин дороже.

Кроме того, ветер дует не круглые сутки, и этот момент мешает воспринимать ветер как основной источник энергии.

Поскольку ветровые турбины создают шумовое загрязнение и опасность для птиц, в Японии проводятся разработки технологий для снижения шума и создания турбин, не представляющих подобной опасности.

Гидроэнергетика: новые веяния

Гидроэнергетика – традиционная отрасль в энергетике Японии. Однако и здесь, как оказалось, есть место альтернативе.

Крупная гидроэнергетика – это один из основных источников электроэнергии в Японии (около 20% всех производственных мощностей), и он не является альтернативным, в отличие от малой гидроэнергетики, которая появилась сравнительно недавно и привлекает инвестиции. Крупные гидроэлектростанции в Японии уже разработаны, поэтому перспектив для развития в этом направлении практически не осталось, и начальные инвестиции растут, чего нельзя сказать о малой и средней гидроэнергетике, где стоимость установки пока высока, но будет понижаться по мере развития отрасли. Поэтому в данные момент происходит продвижение разработок вглубь страны, где множество рек и ручьев.

По установленным мощностям гидроэнергетики Япония занимает передовые позиции после таких стран, как США, Канада, Норвегия.

В Японии уже 65% гидроэнергетических ресурсов были разработаны. Оставшиеся 35% могут обеспечить около 12 000 МВт. В 2004 году установленные мощности малой гидроэнергетики составляли 3,5 ГВт.

Электроэнергия, полученная на ГЭС, используется в промышленном секторе и в домашних хозяйствах.

Стоимость производства КВт энергии – 2-6 центов, а начальный капитал – 4-5 тыс. долларов.

Затраты на разработку малых ГЭС пока высоки, поэтому потребуется разработка и внедрение новых технологий для снижения издержек. Также необходимо усилить меры финансовой поддержки и добиться взаимопонимания с населением, поскольку согласование и сотрудничество с местными властями и организациями имеет важное значение для гидроэнергетики.

Морские волны: богатый потенциал и слабые усилия

Этой области одно время придавалось большое значение в Японии, с 80-х гг. разрабатывался механизм переработки энергии волн в открытом море. Однако сейчас энергетика волн находится в тени.

Средняя энергия волны составляет 6-7 КВтч, а потенциал всех вод вокруг Японии оценивается в 31-36 ГВт. Наилучшие места для получения волновой энергии – это узкие проливы между островами.

В материалах японской организации NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization) энергетика морских волн значится как недостаточно развитая область, этот вид энергии используется лишь в очень малых масштабах: около 300 буев, маяков и другое оборудование получают питание от электрогенерирующих установок.

Волноэнергетические установки используются для питания электроэнергией маяков, буев, сигнальных морских огней, стационарных океанологических приборов, расположенных далеко от берега, и т.п.

Начальные инвестиции составляют 3-4 тыс. долларов, цена производства – 9-12 центов на КВт.

Об энергетике морских волн в Японии можно сказать, что при огромном потенциале она недостаточно развита.

Энергия биомассы: конкурент фотоэлектричеству

Если судить по поддержке правительства, то энергетика биомассы только немного уступает фотогальванической энергетике.

Поскольку Япония находится в зоне муссонного климата с умеренными климатическими условиями, она обладает значительными запасами биомассы. Ежегодное производство органических отходов и неиспользованной биомассы оценивается в 62 млн. тонн сухого вещества или 29,9 млн. Кл нефтяного эквивалента.

Энергия биомассы составляет только 0,8 % от общего производства энергии, что мало по сравнению с другими странами (в Канаде – 4,4%), но поскольку развитие производства получает активную поддержку правительства и обладает огромным потенциалом, процент увеличивается с каждым годом.

Установленные мощности на 2005 год составляли менее 300 МВт, произведено было 533,2 млн. тонн нефтяного эквивалента.

Активно поддерживается правительством, например, организуются так называемые «города биомассы». Кроме того, в планах NEDO за последний период сказано о пересмотре приоритетов и переходе от фотоэлектрической энергии к энергии биомассы.

Метан, получаемый из органических отходов, используется для производства электроэнергии. Кроме того, метан, извлеченный из сточных вод, применяется для городского газа.

Затраты на установку и транспортировку высоки (около 3000 долларов на установку), стоимость производства электричества составляет 1-6 центов на КВтч, а производство тепла – 3-12 центов на КВтч. Если сравнивать с традиционными источниками, то, по последней статистике NEDO, производство МДж энергии из биомассы стоит 0,88 иены, а из природного газа – 0,62, то есть энергетика биомассы пока остается более затратной.

В Японии получение биомассы ограничено по сравнению с другими странами, обладающими значительными лесными массивами, поскольку гористый рельеф не позволяет собирать большие объемы дерева. Однако потенциал биомассы и без лесных, или неиспользованных, ресурсов в Японии огромен за счет отходов сельского хозяйства и другой неиспользованной биомассы.

Биотопливо: вклад сельского хозяйства в энергетику

От биомассы мы перейдем к не менее животрепещущей теме: биотопливу и биодизелю, которые взволновали весь мир в связи с повышением цен на продовольствие и тенденцией фермеров использовать сельскохозяйственные культуры для получения топлива. Каковы же позиции Японии?

В Японии растительная биомасса для биотоплива выращивается в небольших масштабах, большая часть импортируется. Собственное производство составляет только 29,7 Кл в год. Это связано и с размерами территории, которые не позволяют крупномасштабного производства биоэтанола за счет собственных ресурсов, и с неблагоприятной ситуацией в сельском хозяйстве, для поддержания которого необходимы государственные субсидии. Поэтому собственное производство этанола из растительной биомассы будет связано с расходами, которые не окупятся выгодами перехода от бензина на биотопливо. Производством биоэтанола из отходов лесной промышленности и строительных материалов стоит 2000 иен за литр и обходится гораздо дороже углеводородного топлива. При этом производство из сахарного тростника стоит 140 иен за литр, поэтому из 10 заводов по производству биоэтанола два перерабатывают сахарный тростник (который выращивается на островах Окинава), один – строительные отходы, а остальные – сырье из других стран. В этом биотопливо отличается от таких альтернативных источников, как энергия солнца или воды, которые требуют лишь начальных издержек, а производство энергии обходится значительно дешевле и происходит за счет сил природы. Производство биотоплива требует не только затрат на оборудование, но и постоянных затрат на выращивание необходимых культур, и на их переработку в биотопливо. Производство из строительных материалов не требует специального выращивания, но стоит дороже из-за недостатка технологий. С развитием технологий ожидается сокращение издержек, но в данный момент для производителей углеводородное топливо экономически выгоднее, а для потребителей биотопливо может быть выгодно только за счет субсидий.

Биоэтанол в чистом виде не используется, но входит в состав биотоплива (3% биоэтанола и бензин), что позволяет сократить выбросы углекислого газа.

Сжигание мусора: двойная польза

Япония занимает передовые позиции в переработке отходов для получения энергии наряду с США и Германией (по установленным мощностям страна в 2001 году занимала второе место после США, а Германия занимала третье).

В Японии получение энергии сжиганием мусора имеет наибольшие установленные мощности из новых источников альтернативной энергии. В 2003 году в Японии было 1349 МВт установленных мощностей по переработке промышленных отходов и 205 МВт – по переработке бытовых отходов. В том же году было произведено 6,89 млрд. КВтч энергии из бытовых отходов и всего лишь 1,48 млрд. КВтч из промышленных, то есть, несмотря на большие мощности, энергии из промышленных отходов производится меньше. Это можно объяснить тем, что большая часть муниципальных отходов (70%) является сгораемой, что облегчает процесс производства энергии, в отличие от промышленных отходов, многие из которых трудно перерабатываемы. Разрабатываются системы для получения RDF (Refuse-derived Fuel) и другие технологии, повышающие эффективность сжигания мусора. В результате, если ранее эффективность производства не превышала 10%, сейчас установки в 130 местах работают с эффективностью более 10%, а в 56 – с эффективностью более 15%.

Начальные капиталовложения составляют от 900 до 2500 долларов на КВт и 9-11 центов – цена производства для установок малого масштаба, а для более крупных установок эти цифры составляют, соответственно, от 2600 до 3000 долларов и 11-12 центов, что в 1,25-1,5 раз больше стоимости традиционной электроэнергии.

Низкие температуры горения при сжигании мусора стало серьезной проблемой из-за выбросов диоксина, причем 90% от общего объема выбросов диоксина составляют выбросы от сжигания отходов. В связи с этим японское правительство установило контроль над выбросами диоксина, чтобы сократить их примерно на 90% с 1997 года в течение четырех лет. Это требует внедрения высокотемпературных мусоросжигательных установок и повышения эффективности сжигания мусора.

Геотермальная энергетика: поиск свежих идей

Геотермальная энергетика – это еще одна традиционная отрасль в Японии, однако рассматривается как новая и альтернативная в правительственных источниках.

Япония является шестой в мире по произведенной энергии в этой области в 2005 году. Потенциал геотермальной энергетики в Японии оценивается в 56 млн. Кл.

Геотермальная энергетика обеспечивает 0,2% потребности страны в электроэнергии. В Японии 4 геотермальных поля из мировых 37 (10,8%) и множество подземных горячих источников, а также вулканов, но производство энергии ограничено только этими точками.

Количество геотермальных установок в Японии после второго нефтяного шока резко возросло, но в данный момент в связи с высокими затратами, недостаточным финансированием и отсутствие действенных регулятивных мер разработки не продвигаются. В Японии в 18 точках установлена 21 система с мощностью около 540 МВт.

Дерегуляция рынка электроэнергии в Японии началась с 2000 года, что заставило электроэнергетические компании сменить ориентиры и инвестировать в создание новых электростанций. Кроме того, NEDO резко сократила финансирование геотермальной энергетики. Однако с введением закона RPS об обязательном использовании новых видов энергии геотермальная энергия стала более привлекательной для инвесторов, хотя только бинарные системы рассматриваются как удовлетворяющие требованиям закона RPS.

В настоящее время рассматривается как наиболее перспективная малая геотермальная энергетика: организация NEDO развивает деятельность в этой области.

В 2004 году была установлена геотермальная станция в Хаттёбару (Кюсю) мощностью 2 Мвт: первая бинарная геотермальная станция в Японии.

Геотермальная энергия применятся в Японии для отопления и обеспечения электроэнергией школ, больниц и других общественных учреждений. Недавно было начато производство геотермальных обогревателей, но в этом Япония сильно отстает от США и Европы.

Стоимость производства энергии – около 16 центов на КВтч, начальные инвестиции – от 900 до 3000 долларов США.

Нетронутые источники: энергия по крупицам

Ресурсный потенциал так называемых неиспользуемых или нетронутых источников энергии, в том числе преобразования тепловой энергии с использованием морской воды, речной воды, а также отходов, тепла от сжигания мусора, оценивается в 3,4 млрд. литров нефтяного эквивалента. По некоторым оценкам, энергия льда может составлять 0,5 млн. Кл.

До сих пор было 37 планов и программ, направленных на использование такой энергии. В последнее время термальная энергия льда была включена в список нетронутых источников, и на нее приходится большая часть энергии, получаемой из нетронутых источников на данный момент.

В 2004 году из нетронутых источников было произведено 46 тыс. Кл нефтяного эквивалента энергии, и 72 тонны нефтяного эквивалента из снега и льда. Эта часть альтернативной энергетики начала разрабатываться только недавно и не предполагает производства энергии в крупных масштабах, поэтому в общем запасе энергии доля нетронутых источников незначительна.

Энергия нетронутых источников энергии применяется в быту, для отопления и охлаждения домов и общественных учреждений. На Хоккайдо и в Тохоку, где выпадает много снега, снег используется для хранения сельскохозяйственной продукции в летний период на протяжении многих лет. Некоторые местные органы власти разрабатывают технологии с использованием льда и снега для охлаждения воздуха в летний период.

Стоимость производства составляет в среднем 7-11 центов на МДж, что равно 26-40 центов на КВтч и в 1,1 раз больше стоимости традиционной тепловой энергии.

Начальные инвестиции зависит от вида нетронутого источника, но, в целом, они примерно в 2 раза выше начальных вложений в традиционную электроэнергетику, причем отопление и охлаждение больниц и заводов обходится дороже всего.

* * *

Теперь, когда мы получили более или менее подробную картину на сегодняшний день, подумаем о самом интересном: может ли новая энергетика составить реальную альтернативу традиционной? Ведь именно это является целью японского правительства. Попробуем по порядку оценить реальные возможности.

Фотогальванические элементы, в основном, устанавливаются на крышах домов. В последнее время появились системы в 5КВт, но, в основном, потребность одного домашнего хозяйства в энергии удовлетворяет система в 3 КВт. Установленные мощности фотоэлектричества в 1420 МВт при расчете на систему в 3КВт могут обеспечить электроэнергией лишь 473 тыс. домашних хозяйств, а для обеспечения всех хозяйств требуются мощности в 16,6 млн. МВт, то есть в 11690 раз больше. Поскольку всего в Японии 50,3 млн. домашних хозяйств, то, даже если устанавливать по 50 систем каждый день, потребуется более 200 лет. При этом одна система стоит 18-20 тыс. долларов, и далеко не все смогут это себе позволить, даже при субсидиях правительства. Фотогальванический элемент на крыше пока остается роскошью.

Что касается термальной солнечной энергетики, то 0,6 Кл нефтяного эквивалента произведенной в 2004 году энергии – это всего 23 ГДж, что не составляет и сотой доли процента от общего потребления энергетики. Солнечные термальные системы также используются в малых масштабах для обеспечения части необходимой в быту энергии, но говорить о полном переходе на солнечную энергетику не приходится.

С ветровой энергетикой возникают другие проблемы: занимаемая площадь и зависимость от условий ветра. При этом цена установки значительно ниже фотогальванического элемента, но, во-первых, далеко не каждый захочет установить у себя во дворе ветряк, во-вторых, не в каждом дворе нужные условия ветра, а в-третьих, для удовлетворения потребности всех домашних хозяйств необходимо около миллиона турбин.

Ветер может найти применение в крупномасштабном производстве энергии, но не как основной источник, учитывая, что потребность промышленного сектора в энергии в 2005 году установленные мощности ветроэнергетики могли удовлетворить лишь на 0,2-0,3%. Однако поскольку 10% энергии, используемой промышленностью, обеспечивает новая энергетика, ветровая энергетика может сделать вклад как дополняющий источник, тем более что турбины могут быть эффективно использованы совместно с традиционными или новыми источниками энергии.

Также велики перспективы оффшорной энергетики, поскольку здесь нет ограничения площади, но эта область еще недостаточно развита, и рано говорить о реальной альтернативе, а можно предположить, что в ближайшее время оффшорная энергетика, как и оншорная, будет делать свой небольшой вклад в производство энергии, не внося кардинальных изменений в картину энергетического баланса.