Восемь ключевых стратегий повышения энергоэффективности

Нашей прекрасной планете не остается уже времени на бесконеч­но долгие опыты, исследования и дебаты, прежде чем мы предпримем эффективные шаги для снижения нагрузки на окружающую среду. Мы должны сегодня и быстро извлечь уроки из знаний и опыта, накоп­ленных в разных уголках мира, и вместе использовать объединенные знания для серьезного повышения ресурсоэффективности в ближай­шие годы и десятилетия.

Стратегически важно применять новые науки о материалах. Новые виды изоляционных материалов снижают потребление энер­гии в зданиях и холодильниках, пластмассы на волокнистой основе делают транспортные средства гораздо более легкими, а физика твердых тел дала миру светоизлучающие диоды. Нужно оценивать процессы производства всех товаров с экологической точки зрения и оптимизировать их, ведь когда конечный потребитель покупает продукт, то 80—90% экологического вреда и нагрузок уже произведе­ны. Об этом мы читаем в замечательной книге «Экокапитализм». Чтобы сконцентриро­вать всю необходимую информацию, нужно иметь стратегически продуманную рамку.

В части I книги «Фактор пять», где речь идет об изучении отраслей, мы ориентировались на матрицу уменьшения выбросов парниковых газов из Четвертого отчета о состоянии дел МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата), в котором говорится о восьми ключевых стратегиях;

1) энергоэффективность;

2) переход на нейтральные к климату горючие вещества;

3) регенерация тепла и электричества;

4) возобновляемые источники энергии.

5) замкнутые циклы;

6) усовершенствование продуктов (товаров);

7) эффективность использования материалов;

8) сокращение выбросов других парниковых газов, а не только С0₂.

В зависимости от со­ответствующей отрасли эти восемь пунктов в различных секторах имеют различную степень важности. Но суть остается одной и той же: только инновационная комбинация нескольких стратегий на ранней стадии развития или переоснащения ведет к цели: к 80%-ному (пятикратному) повышению эффективности использования ресурсов и энергии, за ко­торое мы ратуем. В результате отраслевые исследования состоят не из инструкций по осуществлению исключительно мелких отдельных шагов, а из соответственно креативных и общих инновацион­ных концепций, которые можно в ходе каждой новой разработки взве­шивать, подхватывать и адаптировать к существующим требованиям.

Стратегия 1. Энергоэффективность

Энергоэффективности мы отводим центральное место, потому что она дает самую простую и доступную возможность повышения произво­дительности и сокращения выбросов парниковых газов при одновре­менном увеличении рентабельности. В отношении энергоэффективно­сти уже достигнут удивительный прогресс. По оценке Американского альянса по экономии энергии, американская экономика была бы на 50% более энергоемкой, если бы не выгоды от эффективности, которые получали предприятия и частные хозяйства с начала 1970-х гг.

Проведенный анализ предоставляет новые доказательства наличия ши­роких возможностей для дальнейшего роста энергоэффективности. Эймори Ловинс говорит, что США могли бы снизить с помощью со­временной техники наполовину свой расход нефти и газа, а также сэкономить три четверти запасов электрической энергии. По резуль­татам своего исследования Маккинзи в 2008 г. пришел к выводу, что при мировом применении существующих сегодня энергоэффективных технологий потребность в энергии к 2020 г. может составить лишь по­ловину того, что предполагается сегодня.

Стратегия 2. Переход к нейтральным для климата видам горючего

В промышленном секторе часто есть возможность комбинировать различные виды горючего или использовать их попеременно, напри­мер природный газ, биомассу и отходы, чтобы на месте производить пар и тепло. Это снижает выбросы парниковых газов разными спосо­бами: уменьшается потребность в ископаемом топливе, а также сокра­щаются потери при транспортировке его в огромной системе сбыта и выбросы парниковых газов, связанные с транспортировкой нефти.

Промышленное производство стали и цемента использует для производства энергии отходы, такие, как га­зы со свалок, автопокрышки, пластиковый мусор, отработанное мас­ло, растворители и шлам очистных сооружений. Сжигая предваритель­но подготовленный пластмассовый мусор в коксовых и доменных печах, сталелитейная промышленность смогла сократить вредные выбросы, связанные как с хранением и сжиганием отходов, так и с по­треблением ископаемого топлива.

Некоторые энергоемкие отрасли получают в виде отходов произ­водственного процесса топливо более низкого качества. Так, целлю­лозно-бумажная промышленность активно начинает использовать способы и технологии, с помощью которых биомасса отходов может превращаться в энергию более эффективно.

Стратегия 3. Регенерация тепла и электроэнергии

Многие удивятся тому, что на каждую единицу энергии, которую мы потребляем, приходятся две единицы, которые пропадают зря. Согласно Отчету о мировой энергетике за 2000 г., выполненному в рам­ках Программы развития ООН (UNDP), при производстве и распреде­лении энергии — до 2% и в конечном итоге при потреблении — до 37% энергии пропадает или расходуется неэффективно. При анализе воз­можностей снижения мирового спроса на энергию (особенно из нево­зобновляемых источников) и нагрузки на окружающую среду этим ас­пектам нужно отвести ключевую роль, поскольку усилия в обеих этих областях могут дополнять друг друга.

Рис. 1:1. Комбинированное производство энергии и тепла позволяет значительно сократить расход горючего по сравнению с раздельным предоставлением электроэнергии и тепла. Источник: на основании оценок Американского совета по энергоэффективности⁸

В настоящее время, например, электричество всюду в мире произ­водится на центральных электростанциях и потом поставляется за сот­ни километров потребителю, причем как при производстве, так и при транспортировке происходят большие потери электроэнергии. С дру­гой стороны, для большинства производств требуется тепло, как пра­вило, производимое в отопительных котлах. Отопительные котлы мож­но увидеть почти на каждом предприятии, где они являются причиной от 20 до 60% расходов на энергию, а в более холодных регионах — прак­тически в любом здании¹⁶.

Альтернативой для централизованно генерированной электро­энергии, которая распределяется через разветвленную сеть, и для при­менения отопительных котлов является децентрализованная система совместной генерации энергии и тепла. Подробный обзор различных систем не уместился бы в рамках данной книги (интересующихся чи­тателей мы отправляем к Программе преобразования энергии TNEP¹⁷).

Но чтобы понять различные возможности применения регенерации электро- и теплоэнергии, показанные в отраслевых исследованиях, необходимо по меньшей мере краткое пояснение: в случае необходи­мости при наличии комбинированной системы производства электро­энергии и тепла как электричество, так и тепло (горячий воздух, горя­чая вода или водяной пар) можно производить на месте, обычно с помощью газовых турбин и использования отработанного тепла из комбинированного процесса производства энергии и тепла или отра­ботанных газов от других процессов.

При комбинированном производстве электроэнергии и тепла электроэнергия получается с помощью обычных турбин или альтер­нативных приводных механизмов, которые, как правило, работают на природном газе или дизельном топливе (все чаще и на биотопливе из отходов, как, например, в целлюлозно-бумажной промышленно­сти), или с помощью новых технологий с малым выбросом С0₂, таких, как, например, микротурбины¹⁹, топливные элементы²⁰ и возобнов­ляемые источники энергии. Этот процесс комбинируется с регенера­цией тепла, для которой, например, применяется теплообменник для генерирования пара из горячих процессных газов или из жидких хладагентов.

Комбинированное производство электричества и тепла идеально для промышленных предприятий, ведь они, как правило, имеют по­стоянную потребность и в электроэнергии, и в тепле, так что системы не должны работать то на повышенном, то на пониженном уровне мощности. Это означает, что самый большой потенциал для комби­нации энергии и тепла находится в энергоемких отраслях — таких, как производство стали, алюминия и цемента, печать и производство бумаги, химическая или пищевая промышленность, а также переработка нефти (в настоящее время комбинированная выаботка используется в примерно 8% мирового производства электроэнергии).

Дания, пионер в этой области, в 2003 г. покрыла уже 52% своей потребности в электроэнер­гии благодаря совместной генерации энергии и тепла и подавала тепло в основном в централизованные сети теплоснабжения. В абсолютных цифрах в 2003 г. лидирующую позицию занимали США с 85 ГВт, что, однако, не составляет и 10% производства электроэнергии. Германия, прогрессивная в остальных вопросах, в 2005 г. получила всего лишь около 13% своей электроэнергии от комбинированных электростан­ций по производству энергии и тепла, но рассчитывает повысить до­лю до 57%.

Стратегия 4. Возобновляемые источники энергии

Все больше предприятий на земном шаре утверждают, что они мо­гут существенно сократить потребление электроэнергии из сети благо­даря применению вышеназванных стратегий и что тогда покрытие остаточной потребности возобновляемыми источниками энергии бу­дет совершенно доступно. Как следствие, тысячи предприятий, произ­водственных союзов и частных хозяйств обязались стать климатически нейтральными (нетто), снижая, во-первых, потребление энергии и, во- вторых, переходя на возобновляемые источники энергии или в случае необходимости компенсируя выбросы С0₂, чтобы добиться столь же­ланного статуса климатически нейтральных. Все это, вместе с процент­ными обязательствами многих правительств, сделало возобновляемую энергетику самой быстрорастущей отраслью энергетики по всему миру.

Децентрализованное снабжение электроэнергией из возобновляе­мых источников (солнце, ветер, волны, отливы-приливы, тепло земли, вода) или комбинации электроэнергии и тепла уже в 2002 г. существен­но обогнали атомную энергетику и являются быстрорастущими выгод­ными рынками. Бесчисленные инновации, а также количественный эффект и накапливающийся опыт способствовали тому, что расходы на применение возобновляемых источников уменьшаются, как показано на рис. 1.2.

Рис. 1.2. График Международного энергетического агентства (МЭА) показывает, как инновации, количественные эффекты и опыт с течением времени снижают расходы. Источник: МЭА (2000)

Возобновляемые источники энергии в Калифорнии составляют четверть, в Швеции — треть, в Норвегии — половину и в Исландии — три четверти от установленной мощности. Дания с 2003 г. получает 20% своей электроэнергии, используя силу ветра. Новые исследования до­казывают, что с точки зрения технологии нет причины, препятствую­щей росту доли использования возобновляемых источников до 80%.

Всеми признано, что такие источники обычно подходят для того, чтобы подавать электроэнергию в сеть во время дневных часов пик, поскольку, например, ветер и солнце именно в это время наиболее производительны. Но скептики сомневаются, могут ли возобновляе­мые источники поставлять электроэнергию и для основных нагрузок. В конце концов, солнце светит не всегда и ветер не дует постоянно. Однако исследования показывают, что широкая сеть, связанная луч­ше всего с высоковольтной линией постоянного тока (HVDC), из энергии солнца, ветра, приливов, отливов и волн очень даже может покрыть основные нагрузки. При этом имеется прогресс в накопле­нии энергии, получаемой путем преобразования солнечного света в электричество.

Грэхем Зинден из Института климатических и экологических из­менений в Оксфордском университете изучал потенциал возобновляе­мых источников энергии в Великобритании. На основании много­летних оценок силы ветра, количества солнечных дней, мощности волн и приливов-отливов во многих местах он пришел к выводу, что основная часть используемой в Великобритании электроэнергии мог­ла бы производиться из возобновляемых источников, преимуществен­но ветра. К тому же многие виды возобновляемых источников не зави­сят от погоды и могут так же надежно поставлять ток, как уголь или атом, — например вода, приливы-отливы или биомасса.

Тепло — еще один многообещающий источник энергии. Оно не возобновляется в полном смысле этого слова, но существует в избытке, и его можно использовать на протяжении сотен, если не тысяч, лет без ущерба для экологии. Тепло земных недр поставляет энергию столь же устойчиво, как уголь или атом, и используется во все большем коли­честве стран. В 2001 г. его доля составляла 75% от производства электроэнергии в Исландии, 27% — на Филлипинах, 12,4% — в Кении, 11,4% — в КостаРике и 4,3% в Сальвадоре²⁷. Исследования, прове­денные доктором П. Н. Чопрой и другими крупными учеными, спо­собствовали тому, что в Австралии открыто одно из крупнейших в ми­ре месторождений «горячих сухих горных пород» (Hot dry-rock, HDR), которое могло бы покрывать потребность Австралии в электроэнергии на протяжении тысяч лет. На рис. 1.3 показана расчетная температура континента на глубине 5 км. Метод HDR (вода проводится через горя­чие сухие породы и нагревается) может основываться на существую­щих технологиях, которые привычны в нефтяной и газовой промыш­ленности, — таких, как бурение и гидравлическое вскрытие пород.

Рис. 1.3. Геотермальные ресурсы Австралии. Источник: д-р П. Н. Чопра, отделение геологических и гидрографических наук, Австралийский национальный университет

Стратегия 5. Утилизация отходов

На вопрос, могла бы послужить матрица МГЭИК в качестве струк­туры для упорядочения наших отраслевых исследований, мы отвечаем, что темы и возможности стратегии 5 (утилизация) и стратегии 7 (эффек­тивность использования материалов) в значительной мере пересека­ются. Мы решили в исследованиях конкретных случаев использования сырья основной упор сделать на утилизацию вторичных материалов, т. е. на стратегию 5. Ведь здесь имеются значительные преимущества для снижения расходов на энергию и воду по сравнению с использова­нием первичного сырья. Например, при производстве вторичной стали (стали из стального шрота) по сравнению с производством первичной стали можно экономить до 70% энергии (см. рис. 3.1).

Применение стали из утилизированных отходов ведет также и к ог­ромной экономии энергии за пределами сталелитейной промышлен­ности (приведенные далее цифры — оценочные). Так, например, для алюминия — 95%³¹, меди — 70—85%³², свинца — 60—80%³³, цинка — 60—70%³⁴, магния — 95%³$, бумаги — 64%Э6, пластика — 80—88%³⁷, стекла — 68%.

Процентные показатели не полностью отражают потребность в энергии для сбора и подготовки отходов, но все-таки по­требность в энергии при утилизации отходов по сравнению с потреб­ностью в энергии для добычи, переработки и транспортировки первичного сырья существенно ниже. В некоторых случаях примене­ние утилизованного материала позволяет экономить энергию и в са­мом процессе производства.

Так, например, для производства алюми­ния из бокситов требуется температура около 900 °С, в то время как алюминиевый шрот можно плавить при примерно 660 °С, — т. е. на од­ну треть ниже. Алюминиевые банки легко отделять от городского мусора, и в итоге, согласно данным Международного института алю­миния, полученный из вторсырья алюминий составляет в настоящее время 33% от мирового предложения, и его доля к 2025 г. повысится, вероятно, до 40%. Многие материалы теоретически можно без конца перерабатывать и пускать в производство, как, например, металлы и стекло, другие же лишь в ограниченном объеме, например, бумагу — всего пять раз, но даже это дает «фактор пять» в эффективности ис­пользования материалов.

Применение утилизированных материалов экономит первичный материал, энергию и тем самым расходы. Однако во многих странах доля утилизации могла бы быть существенно повышена. В то время как Германия и Финляндия, например, для стекла имеют долю утилизации 80-90%, в США она ниже 30%⁴¹. И в то время как новые члены ЕС снова пускают в переработку 80% пластиковых отходов, не менее поло­вины всех членов ЕС выходят на цифру менее 30%. С помощью са­мых разнообразных мероприятий страны пытаются продвинуть вперед утилизацию — особенно утилизацию электроприборов. Так, в Японии должны утилизироваться кондиционеры, мониторы на трубках, холо­дильники, стиральные машины, а с декабря 2008 г. — жидкокристалли­ческие и плазменные экраны.

Вместо того чтобы снова включать в замкнутый цикл «шрот — готовый продукт» соответствующие материалы, такие, как сталь или стекло, отходы в некоторых процессах можно использовать как сырье прямо целиком. Утилизированное сырье может также экономить воду на 50%, как показывает отраслевое исследование в режиме онлайн в бумажной и целлюлозной промышленности. В не­которых случаях применение утилизированного материала позволяет даже улучшить ресурсоэффективность в отношении энергии, материа­ла и воды — при незначительном загрязнении окружающей среды. Например, утилизация стекла уменьшает расход энергии на 70%, рас­ход воды и загрязнение воды на 50% и загрязнение воздуха на 20%.

Кроме того, возможность утилизации существует не только для ре­сурсов, таких, как бумага, сталь или стекло, но и на уровне компонен­тов. Как показывают отраслевые исследования в режиме онлайн в сек­торе информации и коммуникаций, целые продукты, даже состоящие из многих деталей, могут быть переработаны в новые продукты или утилизированы. Впечатляющее доказательство эффекта от системати­ческого усовершенствования повторного использования материала предоставила фирма Fuji Xerox, что подробно описывают Су Бенн и Декстер Дампфи.

Отраслевое исследование в режиме онлайн в пищевой промыш­ленности и ресторанном деле показывает, что переработчики и продав­цы продуктов питания могут заметно сократить свой расход энергии, обратившись к экопродуктам региональных сельскохозяйственных предприятий. На экопродукты в целом расходуется меньше «серой» энергии (совокупный расход энергии для производства, транспорти­ровки, хранения и т. д.), чем на обычные, так как для них не применя­ются энергоемкие искусственные удобрения и химикаты.

В 2002 г. ФАО заявила, что «экологическое сельское хозяйство относительно как пря­мых расходов энергии (горючее и нефть), так и косвенных (синтети­ческие удобрения и пестициды) в расчете на 1 га земли достигло луч­ших результатов и при этом более высокой энергоэффективности». Пекарни, рестораны и сети супермаркетов могут работать с регио­нальными продуктами и таким образом снижать «продуктовые мили» (т. е. нагрузку на окружающую среду из-за транспортировки продук­тов с поля к потребителю).

Стратегия 6. Улучшение продукта

В большинстве случаев акции и стратегии концентрируются на по­вышении производительности ресурсов в устоявшихся процессах и пытаются оптимизировать их с помощью новых технологий, усовер­шенствованных методов, современных способов менеджмента и конт­роля. Но иногда самый лучший путь — сократить потребление ресур­сов, полностью изменить сам продукт. Образцовый пример — уже упо­мянутый геополимерный цемент, основу которого, в отличие от порт­ландцемента, составляет алюминий, а не силикаты кальция. Геополимерный цемент обладает теми же, если даже не лучшими, свойствами, он дешевле и на его производство расходу­ется на 80% меньше энергии. Этот новый продукт — конкурентоспособная альтернатива стандартному цементу, дающая значительно меньший выброс С0₂, — вызывает все больший интерес.

Многие ведущие производители в различных отраслях проверяют возможности достижения существенно более высокой ресурсоэффективности для своей палитры продуктов. General Electric, например, ко­торую на это подвигла программа эконоваций «Ecomaginaion», в 2005 г. получила выручку в 10,1 млрд долл. США от продажи энергоэффектив­ных, а также экологически чистых товаров и услуг; налицо тенденция резкого роста.

Японское правительство одним из первых помогло отечествен­ным предприятиям получить преимущества в международной конку­ренции благодаря более высоким стандартам энергоэффективности: изданные в 1979 г. «Законы об экономии энергии» ввели очень высо­кие стандарты для холодильников, кондиционеров и автомобилей, что побудило предприятия к совершенствованию товаров и в резуль­тате укрепило их позиции на мировом рынке. Это показывает, как национальные предписания по энергоэффективности направляют в определенное русло производство во всем мире и страны, которые продвигаются вперед, ориентируясь на инновации, могут поддержать свою индустрию и на международных рынках. Так, почти все страны ЕС объявили лампы накаливания устаревшими моделями и закре­пили это законодательно.

Стратегия 7. Материалоэффективность, здесь — экономия воды

Как уже упоминалось, между стратегией 5 (утилизация) и стратеги­ей 7 есть точки соприкосновения. Здесь мы в первую очередь концен­трировались на возможностях экономии воды. Более высокая эффективность водопользования не только уменьшает расход водных запасов, сокращающихся по всему миру, но и очень существенно снижает по­требность в энергии. Стиральным машинам с экономным расходом

воды, например, требуется меньше энергии, ведь нужно нагревать меньше воды. Большинство последующих отраслевых исследований содержат примеры соотношения энергия — вода и тем самым доказы­вают, как важны дальнейшие исследования в этой инновационной об­ласти. Ниже приведены всего три из многих примеров.

■ Жилые дома. Экономное использование горячей воды снижает по­требность в энергии не только для нагревания воды, но и также для ее подачи. Электрические бойлеры имеют высокую долю энергопотребления в домашних хозяйствах, 9% — в 2004 г. в тогдашних 15 странах ЕС, 11% — в 2005 г. в США и 27% — в 2000 г. в Китае.

■ Фирмы и общественные здания. Супермаркетам и вычислительным центрам требуются водоемкие холодильные системы. Большинство из этих систем базируются на использовании гради­рен, которые выводят тепло из здания в основном путем испарения воды. Такая охлаждающая система может отвечать примерно за 40% расхода воды в здании. Более эффективное охлаждение, следова­тельно, экономит не только энергию, но и воду — как, например, гибридные охлаждающие системы «сухой — влажный воздух», ко­торые обходятся без градирен, расходуют на 80% меньше воды и почти столь же энергоэффективны.

■ Промышленность. Многочисленные индустриальные способы повы­шения энергоэффективности (особенно в сталелитейной, цемент­ной и бумагоделательной промышленности) обладают более низ­кой потребностью в воде.

Во многих отраслях экономики существуют тесные взаимосвязи между энергоэффективностью и материалоэффективностью, включая воду. Это значимо также и для расходов, так как цены на энергию, воду и сырье имеют среднесрочную тенденцию к росту (так и должно быть).

Стратегия 8. Сокращение выбросов других парниковых газов помимо С0₂

Диоксид углерода (С0₂) — только один из многих определенных МГЭИК и упомянутых в Киотском протоколе парниковых газов. Самые важные шесть (не считая водяного пара): С0₂, метан (СН₄), веселящий газ (оксид азота (I) — N₂0), фтористые углеводороды (ФУВ), перфтор- углероды (ПФУ) и гексафторид серы (SF₆).

Три последних класса веществ являются не природными газами, а искусственными. Все шесть должны быть представлены в третий пе­риод (2013—2020 гг.) торговли эмиссионными квотами через торговые системы ЕС и в иных подобных системах, которые планируют создать другие государства, например Австралия. Это имеет большое влияние на климат, поскольку остальные парниковые га­зы имеют в расчете на молекулу большее влияние на глобальное потеп­ление и частично остаются в атмосфере дольше, чем С0₂.

Как показано в таблице, парниковые газы, не содержащие С0₂, со­ставляли в 2004 г. 25% от всех эмиссий, поэтому в стратегии по сниже­нию эмиссий следует обратить серьезное внимание на эти газы. Однако до сих пор надлежащего интереса к ним нет. В таблице 1.1 приведены данные по воздействию на климат некоторых парниковых газов.

Лишь в 2008 г. ученые впервые предупредили о потенциальном влиянии на глобальное по­тепление трифторида азота (NF₃), используемого для изготовления плоских дисплеев. Почти половину всех проданных в мире телевизо­ров к тому времени уже составляли плазменные или жидкокристалли­ческие. Это может послужить причиной огромных расходов на решение экологических проблем. NF₃, по оценкам, производит парниковый эф­фект в 17 000 раз больший по сравнению с С0₂! В Киотском протоколе это еще не отражено, так как при его издании в 1997 г. данный газ про­изводился лишь в незначительных количествах. Теперь ученые настаи­вают на том, что нужно провести необходимые измерения содержания этого газа в атмосфере и включить их во все будущие соглашения по за­щите окружающей среды. К счастью, производители находят замену для NF₃. Немецкая фирма Linde AG разработала способ, в котором NF₃ заменяется чистым фтором, a Toshiba Matsushita Display и LG уже ис­пользуют в своих производственных процессах фтор вместо NF₃. Этот пример ясно показывает, как важно, чтобы лица, принимающие реше­ние, и разработчики лучше понимали последствия применения парни­ковых газов, не содержащих С0₂, и добровольно уменьшали их эмиссию.

Нередко предприятия прилагают большие усилия, чтобы умень­шить выброс таких парниковых газов и увеличить энергоэффектив­ность. Например, многие промышленные холодильные установки ра­ботают на хладагентах с высоким парниковым фактором. Альтернативами, как указано в Четвертом отчете о состоянии дел МГЭИК, являются «системы прямого охлаждения с альтернативными хладагентами, лучшая изоляция, распределенные, непрямые или кас­кадные системы. Благодаря альтернативным хладагентам можно на 60% уменьшить выбросы парниковых газов».