ВИЭ и атом: устойчивое развитие или риски?

Мировое сообщество активно ищет пути борьбы с изменением климата, и в этом контексте обостряются споры о том, какой энергетический путь является оптимальным для достижения углеродной нейтральности. Стоит ли вкладывать значительные средства в атомную энергетику, вызывающую немало споров, или же сосредоточиться на возобновляемых технологиях, таких как солнечная, ветровая и гидроэнергетика, которые в последние десятилетия демонстрируют стремительное развитие? Попробуем разобрать жизнеспособность, стоимость, риски и проблемы утилизации отходов как атомной энергетики, так и возобновляемых источников энергии. Анализ опирается на опыт мировых лидеров в области энергетики, таких как США, Канада и страны Европы, а также рассматривает ядерный потенциал для Карибских островов, например, Ямайки.

Атомная энергетика долгое время являлась основой производства электроэнергии с низким уровнем выбросов углерода. Международное энергетическое агентство сообщает, что в 2018 году атомная энергия обеспечивала 10% мирового производства электроэнергии (2700 ТВтч), причем в странах с развитой экономикой, таких как США и страны Европы, на ее долю приходилось почти 18% потребностей в электроэнергии. Атомная энергетика также является крупнейшим источником электроэнергии с низким уровнем выбросов углерода в США и Европейском союзе.

Одним из ключевых преимуществ атомной энергетики является ее способность обеспечивать постоянную и надежную базовую нагрузку. В отличие от ветра и солнца, которые по своей природе являются переменными источниками, атомные станции работают с высокими коэффициентами использования установленной мощности, то есть производят электроэнергию на полную мощность большую часть года. Это делает их важным дополнением к возобновляемым источникам энергии, особенно по мере роста доли переменных источников энергии.

Однако атомная энергетика сталкивается со значительными проблемами. Высокие капитальные затраты и длительные сроки строительства новых станций привели к сокращению инвестиций во многих странах. Statista сообщает, что атомная энергетика остается самым капиталоемким источником энергии в США. В 2024 году стоимость разработки ядерных объектов варьировалась от 8 765 до 14 400 долларов США за киловатт, что обусловлено необходимостью принятия строгих мер безопасности при обращении с радиоактивными материалами и отходами. Эти высокие затраты способствовали сокращению числа атомных электростанций в США: с 112 в 1990 году до 93 к 2023 году.

Средний возраст действующих атомных станций в странах с развитой экономикой составляет 32 года, и многие из них приближаются к выводу из эксплуатации. Statista сообщает, что по состоянию на июль 2024 года большинство ядерных реакторов в мире эксплуатировались более 30 лет, а средний возраст реактора составлял 32 года. За последнее десятилетие к мировой энергосистеме было добавлено 74 новых реактора. США лидируют по ядерным мощностям, располагая наибольшим количеством действующих реакторов.

Science Direct сообщает, что в 2019 году на долю атомной энергетики приходилось около 20% выработки электроэнергии в США, что меньше пикового значения в 23% в 1995 году. Она также обеспечивала почти половину электроэнергии страны с низким уровнем выбросов углерода. Однако конкуренция со стороны дешевого природного газа и снижение цен на возобновляемые источники энергии ставят многие станции под угрозу досрочного вывода из эксплуатации. Попытки продлить срок службы станций сталкиваются с препятствиями: четыре объекта были закрыты, несмотря на потенциальное продление лицензий. К 2030 году могут закрыться еще 15–20 станций, что отражает проблемы, с которыми сталкивается стареющая ядерная инфраструктура в таких странах, как Испания и Великобритания.

Более того, атомная энергетика сопряжена с проблемами безопасности. Катастрофа на Фукусиме в 2011 году вновь разожгла опасения по поводу аварий на атомных станциях, что побудило некоторые страны, например Германию, отказаться от своих атомных станций, сообщает DW, немецкое государственное СМИ. Даже в странах, по-прежнему приверженных атомной энергетике, проблема утилизации отходов остается нерешенной. Отработавшее ядерное топливо остается радиоактивным в течение тысяч лет, что требует надежных и дорогостоящих решений по хранению.

За последние два десятилетия возобновляемая энергетика пережила экспоненциальный рост. Ember сообщает, что в 2023 году мировая доля возобновляемой электроэнергии впервые превысила 30%, что обусловлено быстрым ростом солнечной и ветровой энергетики. С 2000 года доля возобновляемых источников энергии в мировом производстве электроэнергии выросла с 19% до более чем 30%, а доля солнечной и ветровой энергии увеличилась с 0,2% до рекордных 13,4% в 2023 году. Солнечная энергия сыграла доминирующую роль, добавив более чем в два раза больше новых генерирующих мощностей, чем уголь, и сохраняя свои позиции самого быстрорастущего источника энергии 19-й год подряд. В частности, ветровая и солнечная энергия продемонстрировали значительное снижение затрат, что делает их все более конкурентоспособными по сравнению с ископаемым топливом и атомной энергией. С ростом энергетического аудита, более точное определение размеров солнечных установок для домов и коммерческих предприятий играет активную роль в ее принятии.

Международное энергетическое агентство сообщает, что политика поддержки привела к резкому снижению стоимости солнечных фотоэлектрических систем, что способствовало беспрецедентному росту мировых солнечных мощностей. С 2018 по 2023 год мощность солнечных фотоэлектрических установок утроилась, а в период с 2024 по 2030 год на их долю будет приходиться 80% мирового расширения возобновляемых источников энергии. Этот всплеск обусловлен крупномасштабными солнечными фермами и увеличением числа установок на крышах предприятий и домохозяйств. Ожидается, что к концу десятилетия солнечные фотоэлектрические установки обгонят ветровую и гидроэнергетику и станут крупнейшим в мире возобновляемым источником энергии.

Ветроэнергетика также демонстрирует существенный рост, особенно в рамках оффшорных проектов в Европе и США. Our World in Data отмечает, что в 2023 году ветроэнергетика обеспечивала почти 60% электроэнергии Дании, что является самым высоким показателем среди всех стран. Ссылаясь на данные Ember, в отчете подчеркивается глобальное лидерство Дании в области ветроэнергетики, а Энергетический институт отмечает, что на долю ветра приходится более четверти общего потребления первичной энергии в стране — самый высокий показатель в мире. Дания также лидирует по выработке ветровой энергии на душу населения, за ней следует Швеция.

Ямайка и другие страны Карибского бассейна также активно внедряют возобновляемые источники энергии, чтобы снизить зависимость от импортируемого ископаемого топлива. За последние годы островное государство значительно увеличило свои солнечные и ветровые мощности, что соответствует его цели по достижению 50% доли возобновляемых источников энергии к 2030 году.

Хотя возобновляемые источники энергии имеют множество преимуществ, включая низкие эксплуатационные расходы, устойчивость и минимальные выбросы, они также сталкиваются с проблемами. Переменчивость солнечной и ветровой энергии означает, что необходимо модернизировать системы хранения энергии и сетевую инфраструктуру, чтобы обеспечить надежность. Кроме того, значительными могут быть требования к землепользованию для крупномасштабных ветровых и солнечных электростанций, что вызывает опасения по поводу воздействия на окружающую среду и конкуренции за землю.

SMR (Малые модульные реакторы) – это новый класс ядерных реакторов с мощностью, обычно не превышающей 300 МВт. Они предназначены для модульной конструкции, что упрощает развертывание и повышает экономическую эффективность по сравнению с традиционными крупномасштабными реакторами. Их основным преимуществом является способность обеспечивать базовую нагрузку, то есть непрерывную и стабильную подачу электроэнергии в сеть, независимо от колебаний возобновляемых источников. Одним из преимуществ SMR является их способность обеспечивать базовую нагрузку — непрерывную и стабильную подачу электроэнергии. В отличие от солнечной и ветровой энергии, которые являются прерывистыми и зависят от погодных условий, SMR работают круглосуточно и без выходных. Однако риск превышения сметы расходов и задержек остается серьезным препятствием.

Нормированная стоимость энергии (LCOE) измеряет общую стоимость производства электроэнергии в течение всего срока службы электростанции, включая строительство, эксплуатацию и техническое обслуживание. Исследование, опубликованное в PV Magazine в 2023 году, показывает, что солнечные и ветровые электростанции промышленного масштаба имеют LCOE в размере 24–96 долларов США за МВтч, в то время как атомная энергия (включая SMR) колеблется от 141 до 221 доллара США за МВтч, что делает атомную энергию как минимум в пять раз дороже, чем возобновляемые источники энергии во многих случаях.

Reuters сообщает, что Министерство энергетики США выделило 600 миллионов долларов на поддержку NuScale и других компаний в коммерциализации технологии малых модульных реакторов (SMR). Однако, как сообщает Институт экономики энергетики и финансового анализа (IEEFA), сметная стоимость 462-мегаваттного (МВт) SMR NuScale резко возросла. Первоначально прогнозируемая цена электроэнергии составляла 55 долларов США за мегаватт-час (МВтч) в 2016 году, увеличившись до 58 долларов США/МВтч после сокращения размера проекта с 12 до шести реакторных модулей. К 2022 году цена выросла до 89 долларов США/МВтч, а с учетом инфляции к 2030 году коммунальные предприятия могут платить 102 доллара США/МВтч. Этот рост цен на 53% с 2021 года связан с увеличением стоимости строительства на 75%, которая в настоящее время оценивается в 9,3 миллиарда долларов, что делает SMR NuScale таким же дорогим в расчете на киловатт, как и превысивший бюджет ядерный проект Vogtle в Джорджии. Несмотря на федеральные субсидии в размере 4 миллиардов долларов, включая поддержку Закона о снижении инфляции (IRA), этот рост затрат ставит под сомнение утверждение о том, что SMR предлагают недорогую ядерную альтернативу.

Солнечная и ветровая энергия, напротив, требуют использования аккумуляторных батарей для обеспечения надежности сети, особенно в периоды пикового спроса. Достижения в области аккумуляторных батарей промышленного масштаба стремительно повышают осуществимость круглосуточных решений в области возобновляемой энергетики.

Renewable Energy World сообщает, что рынок хранения энергии в США стремительно расширяется: в третьем квартале 2024 года установлены рекорды по установке новых аккумуляторов, что обусловлено падением цен на литий-ионные аккумуляторы, ростом спроса на хранение энергии в промышленных масштабах и всплеском внедрения бытовых аккумуляторов. Техас и Калифорния лидировали по развертыванию: Техас добавил 1,7 ГВт, а Калифорния сосредоточилась на хранении с большей продолжительностью. Стоимость аккумуляторов снизилась на 20% в годовом исчислении до 115 долларов США/кВтч благодаря избыточным производственным мощностям и росту популярности литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Однако такие проблемы, как избыточные мощности, ценовое давление на производителей и замедление спроса на электромобили, создают риски для дальнейшего снижения цен.

Отходы являются решающим фактором в споре между атомной и возобновляемой энергетикой. Малые модульные реакторы производят различные типы ядерных отходов, причем характеристики радиоактивных отходов во многом зависят от конструкции реактора и стратегии топливного цикла. Многие SMR используют традиционное оксидное топливо, аналогичное топливу крупных атомных электростанций, что позволяет применять устоявшиеся методы обращения с отходами. Однако усовершенствованные конструкции SMR, например, использующие металлические, карбидные, нитридные или топливные элементы, создают новые проблемы при переработке, транспортировке и захоронении отходов. Эти реакторы потребуют разработки специализированных установок топливного цикла и нормативно-правовой базы для обращения с отходами, особенно в области переработки, кондиционирования и окончательного захоронения. Международное агентство по атомной энергии в своем отчете SMR 2024 подчеркивает, что интеграция стратегий обращения с отходами на ранних этапах проектирования SMR может помочь снизить затраты, оптимизировать возможности повторного использования и переработки, а также улучшить общественное восприятие атомной энергетики.

Различные типы SMR генерируют различные потоки отходов, которые требуют индивидуальных стратегий захоронения. Наземные SMR с водяным охлаждением, аналогичные обычным реакторам с водой под давлением, используют существующие методы сухого хранения и геологического захоронения. SMR с газовым охлаждением, такие как высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы, производят меньше высокоактивных отходов на единицу энергии, но их графитовый замедлитель создает проблемы при долгосрочном захоронении. SMR с жидкометаллическим охлаждением на быстрых нейтронах, включая конструкции с натриевым охлаждением, могут активно сжигать долгоживущие изотопы плутония и минорные актиниды, снижая общую радиотоксичность отходов. SMR на расплавах солей отделяют и хранят продукты деления во время эксплуатации, а переработка за пределами площадки сводит к минимуму срок службы отходов до нескольких сотен лет. МАГАТЭ подчеркивает, что раннее рассмотрение этих стратегий обращения с отходами при проектировании SMR будет иметь решающее значение для обеспечения устойчивого развертывания и соблюдения нормативных требований.

Помимо затрат, внедрение атомной энергетики на Карибских островах, таких как Ямайка, потребует четко определенного плана обращения с ядерными отходами, что является серьезной проблемой, учитывая размер острова и его экологическую уязвимость. Захоронение радиоактивных отходов требует долгосрочных решений, строгих правил и инвестиций в инфраструктуру, что может создать значительные финансовые и экологические риски. Кроме того, биоразнообразие Карибского бассейна, особенно его морские и наземные экосистемы, может оказаться под угрозой из-за потенциальных утечек радиации или неправильной утилизации отходов.

С другой стороны, солнечные панели и аккумуляторы сталкиваются с проблемами утилизации по окончании срока службы. Быстрое распространение солнечных фотоэлектрических технологий с начала 2000-х годов сделало их краеугольным камнем революции в области чистой энергии, но оно также создает надвигающуюся экологическую проблему: отходы по окончании срока службы. К началу 2030-х годов миллионы выведенных из эксплуатации солнечных панелей будут способствовать росту глобального потока отходов, однако эта проблема несет в себе огромный экономический потенциал. Международное агентство по возобновляемым источникам энергии и Программа фотоэлектрических энергосистем МЭА сообщают, что при надлежащем управлении отходами фотоэлектрических систем к 2050 году можно будет получить 78 миллионов тонн пригодного для повторного использования сырья на сумму более 15 миллиардов долларов. Создание отраслей по переработке и повторному использованию будет иметь решающее значение для снижения экологических рисков при одновременном повышении эффективности использования ресурсов. Однако это требует дальновидных политических рамок, стратегических инвестиций и приверженности интеграции принципов экономики замкнутого цикла в сектор возобновляемой энергетики. Однако такие инициативы, как замкнутый цикл переработки First Solar, снижают воздействие на окружающую среду, делая солнечную энергию более пригодной для переработки, чем ядерное топливо.

Выбор между атомной и возобновляемой энергетикой не является бинарным — оба варианта играют свою роль в будущем с нулевым уровнем выбросов углерода. Атомная энергетика обеспечивает стабильное и надежное электроснабжение, которое может поддерживать изменчивость ветровой и солнечной энергии. Однако ее высокие затраты, длительные сроки реализации и проблемы с утилизацией отходов препятствуют ее широкому внедрению. Возобновляемые источники энергии, с другой стороны, стали самыми дешевыми и быстрорастущими источниками энергии, но требуют усовершенствования систем хранения и интеграции в сеть, чтобы полностью заменить ископаемое топливо.

Страны должны адаптировать свои энергетические стратегии к своим конкретным потребностям и наличию ресурсов. США и Канада, обладающие существующей ядерной инфраструктурой, могут извлечь выгоду из продления срока службы действующих станций при одновременном расширении использования возобновляемых источников энергии. Островные государства, такие как Ямайка, с обильным солнечным светом и ветром, могут счесть подход, ориентированный на возобновляемые источники энергии, более практичным. Между тем, европейские страны с агрессивной климатической политикой изучают как ядерные, так и возобновляемые варианты для достижения своих амбициозных целей по декарбонизации.

Учитывая эти факторы, солнечная энергия с аккумуляторными батареями представляет собой более финансово обоснованный и экологически устойчивый путь для Карибских островов, таких как Ямайка. Снижение стоимости солнечной энергии и систем хранения в сочетании с обильным солнечным светом на Ямайке делает возобновляемые источники энергии логичным выбором по сравнению с атомной энергией, которая остается дорогим и сложным предприятием. Более того, хотя атомная энергетика может обеспечивать базовую нагрузку, быстрое развертывание технологий возобновляемой энергетики и достижения в области хранения энергии делают полностью возобновляемую сеть все более осуществимой. Хотя изучение правительством Ямайки возможностей использования атомной энергии свидетельствует о его приверженности диверсификации источников энергии, высокие затраты на SMR и сложности с утилизацией ядерных отходов делают солнечную энергию в сочетании с хранением энергии более практичным и экономически эффективным решением для будущего энергетики страны.