Полезная энергия: как электрификация упрощает переход к "зеленой" энергетике

В новостях об изменении климата часто звучит термин "первичная энергия". Он означает сырую энергию, содержащуюся в топливе и природных ресурсах — будь то нефть в бочке, газ в трубопроводе или солнечный свет, падающий на панель.

Первичная энергия используется для демонстрации масштабов потребления энергии человечеством. Цифры впечатляют: миллиарды тонн угля, нефти и газа. На графиках "зеленые" источники, такие как возобновляемые источники и атомная энергетика, кажутся крошечными, а ископаемое топливо — слишком массивным, чтобы от него можно было отказаться.

Однако такой подход вводит в заблуждение. Огромная часть энергии, содержащейся в ископаемом топливе, просто теряется. По мере электрификации мира для достижения тех же результатов потребуется значительно меньше первичной энергии.

От апельсина к апельсиновому соку

Представьте, что вы делаете стакан апельсинового сока. Вы начинаете с целого апельсина — это первичная энергия. Но после чистки, выжимания и процеживания в стакане остается только сок — это полезная энергия.

Нас на самом деле интересует не первичная, а полезная энергия — та часть первичной энергии, которая непосредственно питает наши приборы, обогревает дома или приводит в движение автомобили.

Первичная и полезная энергия часто сильно различаются. Чтобы доставить энергию в наши дома, автомобили или на фабрики, ее необходимо преобразовать, транспортировать и доставить. На этом пути теряется удивительно большая доля, особенно при использовании ископаемого топлива.

Угольные электростанции сжигают уголь, чтобы произвести пар, который вращает турбины, вырабатывающие электричество. Энергия теряется на каждом этапе. В результате, только 35–41% энергии угля преобразуется в электричество. Сжигание ископаемого топлива само по себе расточительно. Это похоже на переноску воды в дырявом ведре: вы начинаете с большого количества, но к тому времени, когда она достигнет вашего стакана, большая часть уже вытечет.

Проблема подсчета первичной энергии

Глобальная статистика энергопотребления искажает реальное положение дел, представляя возобновляемые источники энергии как менее значимые. Это происходит не потому, что они производят меньше электричества, а из-за способа подсчета первичной энергии.

Измерение первичной энергии включает сложные допущения и методы расчета, которые могут приводить к необоснованным выводам. Возьмем простой пример: уголь, атомная энергия и солнечная энергия могут выдать одинаковые 100 единиц электричества. Однако в статистике Международного энергетического агентства или Европейского союза уголь и атомная энергия учитываются как 303 единицы "первичной энергии", тогда как солнечная — всего 100 единиц. Это связано с тем, что учитываются потери тепла от угля и атомной энергии, но не бесплатное солнечное излучение или ветер.

Эффективность, эффективность, эффективность

При сравнении источников энергии, одни только сырые цифры не рассказывают всей истории. Для угольных, газовых, атомных и биомассовых электростанций количество используемой первичной энергии зависит от потенциального содержания тепла в топливе и эффективности преобразования этой тепловой энергии в электричество.

Уголь, казалось бы, выглядит неплохо с точки зрения плотности энергии и эффективности преобразования. Но к тому времени, когда уголь добыт, транспортирован, переработан, сожжен, а электричество произведено и передано, большая часть этого потенциала теряется в виде отработанного тепла. Старые угольные электростанции особенно неэффективны.

На первый взгляд, солнечные панели выглядят слабо по сравнению. Они преобразуют лишь около 20% солнечного света в электричество, в то время как ветряные турбины кажутся сопоставимыми с углем, преобразуя около 40% энергии ветра в электричество. Но солнечные и ветряные установки генерируют электричество напрямую. Нет необходимости в поставке топлива, что позволяет избежать огромных потерь при преобразовании, характерных для тепловых электростанций или двигателей внутреннего сгорания.

Это означает, что, несмотря на более низкие показатели "эффективности" солнечной и ветровой энергии, эти источники часто обеспечивают больше полезной энергии на единицу первичной энергии, чем уголь.

Электрификация — решение для "протекающего ведра"

Есть еще более хорошие новости. В сфере отопления, транспорта и промышленности переход от ископаемого топлива к электрическим решениям значительно повышает энергоэффективность, сокращая потребность в энергии для достижения того же результата.

Бензиновые автомобили преобразуют лишь 16–25% энергии топлива в реальное движение. Остальное теряется — в основном в виде тепла от двигателя или при передаче мощности на колеса. Электромобили гораздо эффективнее: они используют 87–91% энергии, подаваемой аккумулятором, и рекуперативное торможение для движения.

Тепловые насосы для горячей воды значительно эффективнее газовых нагревателей. На каждую единицу потребляемой электроэнергии тепловые насосы выдают 3–5 единиц тепла. То есть их эффективность составляет 300%–500%. Для сравнения, эффективность газовых обогревателей может составлять от 30% до 80%.

Электричество — гораздо более эффективный способ нагрева воздуха, чем газ. Современные газовые обогреватели по-прежнему теряют 10%–40% генерируемого тепла. Кондиционеры обратного цикла гораздо эффективнее и являются самым дешевым способом обогрева помещений.

Электричество также более эффективно для приготовления пищи. Индукционные плиты передают 84% энергии на сковороду, по сравнению с 71% у электрических спиралей и всего 40% у газовых горелок. Переход на электричество сродни замене дырявого ведра на блестящее новое, без дыр. Большая часть вложенной энергии — это энергия, которую вы действительно можете использовать.

Полезная энергия, а не первичная

Графики первичной энергии создают впечатление, что полностью отказаться от ископаемого топлива почти невозможно. Однако первичная энергия не имеет такого уж большого значения. Если вместо этого сосредоточиться на полезной энергии, задача становится гораздо более выполнимой. Вместо того чтобы спрашивать, как заменить всю сегодняшнюю первичную энергию, главный вопрос заключается в том, сколько полезной энергии нам нужно и как чистая электроэнергия может обеспечить ее более эффективно. Чистые, эффективные электрические решения позволяют удвоить мировой ВВП к 2050 году, при этом сократив потребление первичной энергии на 36%.

Возобновляемые источники, накопители энергии и электрификация делают возможной гораздо более эффективную доставку энергии. Это означает, что возобновляемым источникам не нужно заменять каждый джоуль потенциальной энергии ископаемого топлива — только ту часть, которую мы фактически используем, с гораздо меньшими потерями и выбросами.