Устойчивое энергоснабжение для городов — тенденция будущего

©UGE International Ltd
 

На протяжении последних 20 лет в мире наблюдается крайне динамичный рост городов. В настоящее время городское население превышает 3,5 миллиарда человек (примерно половина всего мирового населения). В развивающихся странах отмечается особенно резкий переход от сельской к городской экономике на фоне роста городского населения (UN-HABITAT, ICLEI, and UNEP, 2009, стр. 7). Несмотря на различия в масштабе и темпах урбанизации, стоящая перед развивающимися странами проблема заключается в обеспечении увеличивающихся потребностей в надежном энергоснабжении, соблюдении принципов доступности и равенства, создании прав и возможностей, сведении к минимуму негативного влияния на окружающую среду, повышении качества здравоохранения и уровня жизни людей, а также создании новых направлений развития (Droege, 2008, стр. 1).

За период с 1960 года численность мирового населения удвоилась, а к 2050 году, согласно прогнозам, должна превысить 9 миллиардов человек. 99% прироста, а также 50% прироста городского населения, предположительно будут обеспечены развивающимися странами (Chu and Majumdar, 2012; Curry and Pillay, 2012). По данным Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП), для региона Латинской Америки и Карибского бассейна характерна высокая степень урбанизации: по состоянию на 2007 год в городах проживает 78% населения. Согласно прогнозам, к 2050 году эта цифра увеличится до 89%. Страны Африки и Азии отличаются меньшей степенью урбанизации (доля городского населения составляет примерно 40% от общей численности), однако темпы роста к настоящему времени являются значительными, и, как ожидается, к 2050 году доля городского населения в странах данной группы достигнет 62% (см. UN-HABITAT, ICLEI, and UNEP, 2009, стр. 7). Согласно прогнозу Организации Объединенных Наций, к 2050 году численность проживающих в городах будет составлять 6 миллиардов человек.

Глобальный энергетический кризис, а также угроза изменения климата требуют внедрения инноваций в энергетике и перехода как развитых, так и развивающихся стран к принципам ответственного потребления. В работе «Urban Energy Transition: From Fossil Fuels to Renewable Power» («Новый подход к энергоснабжению городов: от ископаемых видов топлива к возобновляемой энергии») отмечается, что к 2030 году объем международных потребностей в энергоресурсах должен увеличиться с 60 до 85%. Согласно рекомендациям Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), для удержания прироста среднемировой температуры в пределах, превышающих соответствующие показатели до наступления эпохи индустриализации не более чем на 2 градуса Цельсия, предельно допустимая концентрация парниковых газов в атмосфере должна составлять 450 частей на миллион (ppm). Однако по опубликованным в марте 2015 года данным НАСА фактическая концентрация уже превысила уровень в 400 частей на миллион.

Залогом будущего, благополучного с точки зрения здоровья людей и воздействия на окружающую среду, является еще одна индустриальная революция, основой которой должны стать доступные и экономичные устойчивые источники энергии. В целях снижения зависимости от природных ресурсов и уменьшения влияния на экологию некоторые развитые страны уже обеспечили возможность экономического роста, не имеющего прямой связи с энергопотреблением. Это стало возможным благодаря использованию энергии, являющейся побочным продуктом производственного процесса, например использованию выделяемого тепла для получения электроэнергии (UN-HABITAT, ICLEI, and UNEP, 2009, стр. 7). Важнейшими факторами новой индустриальной революции являются энергоэффективность, энергосбережение и отказ от использования углеродных источников энергии.

Хотя роль ископаемых видов топлива в энергообеспечении городов остается значительной, можно с уверенностью говорить о том, что в перспективе устойчивая энергетика является единственным возможным вариантом развития. Например, в условиях значительной доли ископаемых видов топлива в системе энергоснабжения городов часто применяется комбинированная генерация электрической и тепловой энергии для централизованного снабжения районов города в соответствии со строгими принципами экономичности использования топлива. Стратегии использования возобновляемых источников энергии в городских условиях получают широкое распространение и быстро становятся отраслевым стандартом. Переход к новой системе означает не только отказ от прежних источников энергии, но и соблюдение требований экономичности, устойчивости и возможности дальнейшего развития. Города в различных странах мира обязуются полностью перейти на использование экологически чистых источников энергии. Так, Копенгаген намерен достичь нулевого уровня выбросов углерода к 2025 году, в Аспене (штат Колорадо, США) завершение перехода к использованию только возобновляемых источников энергии запланировано на 2015 год, а в Мюнхене аналогичный процесс применительно к электроснабжению города должен закончиться к 2025 году.

 

Анаэробное разложение

Образование и удаление отходов в городах приобретает чрезвычайно важное значение в связи с ростом урбанизации и численности населения. Анаэробное разложение — процесс, при котором поддающиеся биоразложению отходы распадаются в анаэробных условиях с образованием богатого метаном биогаза, подходящего для использования в производстве энергии, — может стать успешным решением проблем, связанных с увеличением объема отходов, а также способствовать сокращению потребностей во внешних источниках энергии (Curry and Pillay, 2012). Биогаз может подвергаться сжиганию и таким образом использоваться в качестве топлива для производства как тепловой, так и электрической энергии; он применяется в двигателях внутреннего сгорания, микротурбинах и водонагревателях, при этом получаемое тепло используется для подогрева перерабатываемой массы или отопления зданий (Ibid.). Возможность использования муниципальных отходов для производства биогаза и, следовательно, снижение потребности в использовании свалок позволит обеспечить как наличие источника устойчивой возобновляемой энергии, так и получение полезного побочного продукта — биопульпы, которая может использоваться в качестве удобрения. Согласно данным, приведенным в работе авторов Карри и Пиллей в журнале «Риньюабл энерджи», количество установок, работающих на биогазе, ежегодно увеличивается на 20—30%, что говорит о растущей важности анаэробного разложения как устойчивого источника энергии (Curry and Pillay, 2012).

 

Солнечная энергия

Главное преимущество солнечной энергии по сравнению с энергией биомассы, гидроэнергией или ядерной энергией заключается в том, что для ее получения не требуется вода и, соответственно, отсутствуют проблемы, связанные с потреблением и последующим дефицитом водных ресурсов. Достигнутое в последнее годы сокращение расходов, связанных с использованием технологий солнечной энергетики (концентрированной солнечной энергии и энергии, получаемой с помощью фотоэлектрических установок), сделало их сопоставимыми с энергией от ископаемых видов топлива — как в средних, так и в приполярных широтах. Согласно данным исследования, посвященного политике использования энергоресурсов (Purohit, Purohit and Shekhar, 2013), за период с 2006 по 2011 годы фотоэлектрическая солнечная энергия показала наибольший рост среди всех возобновляемых источников энергии (на 58% ежегодно); второе место занимает концентрированная солнечная энергия (рост на уровне почти 37%), третье — энергия ветра (рост составил 26%). Солнечная энергия является эффективным решением для городских условий, поскольку панели и фотоэлектрические элементы являются компактными, допускают размещение на крышах зданий и не требуют существенных затрат и сложного технического обслуживания. Согласно прогнозам, совокупная мощность солнечной энергетики в мире составит 147 ГВт в 2020 году, 337 ГВт в 2030 году и 1089 ГВт в 2050 году (Ibid.).

 

Эффективная и экономичная инфраструктура

В перспективе развитие производства возобновляемой энергии в городских условиях может способствовать достижению нулевого уровня энергопотребления зданиями и созданию высокоэффективных экологически чистых городов с низким уровнем выбросов углекислого газа (Lund, 2012). Устойчивая энергогенерация в городах возможна благодаря развитию новых технологий: например, в настоящее время разрабатывается система, предполагающая использование энергии ветра и солнца и сбор дождевой воды и таким образом обеспечивающая оптимизацию производства энергии при установке в многоэтажных домах. Новое решение позволит частично решить проблемы, связанные с использованием ветряных турбин в черте города.

 

Экогорода

Развитие технологий обусловило рост количества так называемых экогородов (городов, соответствующих принципам устойчивого развития) в разных странах мира. Примерами являются город Масдар (Абу-Даби, Объединенные Арабские Эмираты) и проект PlanIT Valley (Португалия). По совместной инициативе Китая и Сингапура создается в перспективе крупнейший в мире экогород, площадь которого равна половине района Манхэттен, — Тяньцзиньский экогород: как ожидается, к 2020 году здесь в условиях низких выбросов углекислого газа и экологически чистых решений будут проживать более 350 тысяч человек. Инфраструктура всех городов предполагает использование водосберегающих насадок на краны, теплоизоляции стен, двойного остекления окон, установки фотоэлектрических модулей на крышах и в стенах, а также расположение энергетических установок в черте города и ориентацию фасадов на южную сторону для оптимизации использования пассивного тепла.

Препятствием к практическому использованию возобновляемых источников энергии в городских условиях в ряде случаев является несоответствие уровней спроса и предложения, а также необходимость интеграции новых решений в существующую энергосистему. Необходимая взаимосвязь и возможности управления энергоснабжением могут быть налажены с помощью так называемых умных сетей. Их использование в городских условиях характеризуется рядом преимуществ, в том числе повышением безопасности и надежности энергоснабжения, снижением затрат на передачу энергии благодаря расположению местного энергоснабжающего предприятия в непосредственной близости от потребителей, а также использованием уже существующей инфраструктуры и минимизацией потребности в земельных участках (Ibid.).

 

Заключение

Широкомасштабное использование возобновляемых источников энергии в городских условиях в перспективе имеет важное значение в контексте устойчивой энергетики, поскольку оно позволяет удовлетворить растущие энергопотребности городов и при этом снизить объем выбросов (Ibid.). Дальнейшее совершенствование технологий обеспечит повышение эффективности, удобства, экономичности, доступности и устойчивости использования возобновляемых источников энергии.

 

 

Список литературы

Chu, Steven, and Arun Majumdar (2012). Opportunities and challenges for a sustainable energy future. Nature, 488, (August), pp. 294-303. С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте: http://www.nature.com/nature/journal/v488/n7411/full/nature11475.html.

Curry, Nathan, and Pragasen Pillay (2012). Biogas prediction and design of a food waste to energy system for the urban environment. Renewable Energy, т. 41 (май), стр. 200-209.

Droege, Peter, ed. (2008). Urban Energy Transition: From Fossil Fuels to Renewable Power. Oxford: Elsevier Ltd.

Lund, Peter (2012). Large-scale urban renewable electricity schemes—Integration and interfacing aspects. Energy Conversion and Management, vol. 63 (November), стр. 162–172.

Purohit, Ishan, Pallav Purohit, and Sashaank Shekhar (2013). Evaluating the potential of concentrating solar power generation in North-western India. Energy Policy, т. 62, стр. 157-175.

UN-HABITAT, Local Governments for Sustainability, and the United Nations Environment Programme (2009). Sustainable Urban Energy Planning: A handbook for cities and towns in developing countries. Nairobi: UNEP. С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте: http://www.unep.org/urban_environment/PDFs/Sustainable_Energy_Handbook.pdf.