Почему у «зелёной» энергетики сложное будущее?

Любопытная статья о перспективах традиционной и альтернативной энергетики из корпоративного блога японской компании Toshiba.

Почти половина постов в нашем блоге в той или иной степени посвящена энергетике разной степени альтернативности и безальтернативности. Но чтобы строить реалистичные прогнозы о «зелёной» энергетике будущего, нужно знать ответы на неприятные вопросы. В этом посте мы сопоставим актуальные факты из области добычи и накопления электроэнергии, чтобы понять, почему мир не торопится переходить на экологичные возобновляемые источники энергии, и какие проблемы на пути «озеленения» ещё предстоит решить.

Все без исключения констатируют увеличение доли «зелёной» энергии в мире. С этим фактом не поспоришь: выработка солнечной и ветряной энергетики действительно растёт от года к году впечатляющими темпами. Значит ли это, что возобновляемые источники энергии уверенно вытесняют ископаемое топливо? Нет.

Не стоит забывать, что от года к году растёт не только зелёная энергетика, но и общемировое потребление электричества. Чтобы удовлетворить спрос, одних ВИЭ недостаточно, поэтому объёмы выработки наращивает и угольный, и газовый, и даже нефтяной сектор. То есть о развитии «зелёной» энергетики говорить можно, но о замещении ею основанной на ископаемом топливе за пределами особо прогрессивных европейских стран — нет.

Если взглянуть на выработку энергии всеми актуальными видами топлива,
оказывается, что растёт отнюдь не только «зелёная» энергетика. Приводится расчёт в «тоннах нефтяного эквивалента» — эквиваленте энергии, получаемой из тонны нефти. Источник: BP Statistical Review of World Energy 2019

EROI — настоящая стоимость энергетики

При обсуждении проектов «зелёной» энергетики разработчики в качестве аргумента указывают низкую стоимость 1 кВт·ч, которая в некоторых случаях оказывается даже меньше цены киловатт-часа, выработанного угольной электростанцией. Если всё так, почему доля угля в генерации мировой электроэнергии до сих пор составляет 40%, а на пятки ему наступает не менее ископаемый газ?

Оценивать и сравнивать стоимость электричества, полученного различными способами, наиболее корректно с помощью показателя EROI (energy returned on energy invested) — отношения полученной энергии из источника к количеству энергии, затраченной на её получение. С помощью EROI можно наиболее точно оценить перспективы источника энергии в отличие от чисто теоретического КПД или скачущей от страны к стране цене 1 кВт·ч. Например, EROI 20:1 для некоего вида топлива значит, что с каждого затраченного кВт·ч можно выработать 20 кВт·ч.

График EROI для различных видов энергетики в США. Источник: Mrfebruar / Wikipedia

EROI для каждого вида выработки может сильно меняться во времени. Он зависит от технологий добычи и переработки, разведанных запасов и сложности добычи топлива, цен на оборудование и сам энергоноситель. В начале XX века, пока нефть была легкодоступна, EROI ее добычи составлял фантастические 1200:1, а сейчас балансирует на уровне 5:1 и продолжает медленно падать. Соотношение для угля поднималось до 75:1 и опускалось до 30:1, но, что поразительно, учёные прогнозируют пик угольного EROI на середину XXI века, когда соотношение может превысить 100:1.

Теоретически EROI топлива должен быть выше 1, чтобы его использование было целесообразным. На деле же при соотношении ниже 4:1 источник энергии приходится субсидировать, иначе его использование будет нерентабельным и очень дорогим. EROI чуть выше единицы допустим только для добывающих компаний, суть заработка которых состоит лишь в извлечении ресурса и его последующей продаже — нефтедобывающие компании устроит даже соотношение 1,1:1.

EROI традиционной энергетики

Приведенный выше график EROI для энергетической отрасли США за 2010 год очень красноречив и в целом справедлив для других стран. На недосягаемом олимпе эффективности безраздельно стоят гидроэлектростанции, чей EROI близок к 100:1. Строительство крупной ГЭС — очень затратное дело. Китайский комплекс «Три ущелья» обошелся бюджету Китая в $25,5 млрд, из которых только $9 млрд стоила сама станция. Но благодаря высочайшему EROI и установленной мощности 22,5 ГВт «Три ущелья» окупила себя через год после официального ввода в эксплуатацию или через четыре после запуска первой турбины.

Знакомьтесь, самая мощная электростанция в мире — ГЭС «Три ущелья» на реке Янцзы. Установленная мощность в 22,5 ГВт! Источник: Le Grand Portage / Wikipedia

Уголь, который сейчас кажется жутко архаичным и неимоверно грязным видом топлива, даже в Европе не собирается сдавать позиции как раз из-за высокого EROI порядка 30:1 (в США значительно выше). Удивительно, но европейским рекордсменом по объёмам потребления угля является… Германия. 61% закупаемого антрацита и 93% бурого угля в Европе идут именно на выработку электричества. При этом именно в Германии в прошлом году объем «зелёной» выработки превысил выработку от ископаемых источников. В конце 2019 года в Германии свою работу завершила Комиссия по отказу от угольной генерации, представив правительству планы и рекомендации по прекращению работы угольных электростанций к 2038 году. Сейчас в стране насчитывается 84 угольных станции, которые вынуждены сглаживать отказ от атомной генерации — к 2022 году Германия собирается закрыть все свои АЭС, хотя еще в 2000-х года на атомную энергию приходилась четверть генерации по стране.

Карта действующих угольных электростанций Германии (отмеченные чёрным работают на антраците, коричневым — на буром угле) — на них приходится четверть всей выработки по стране. Поэтому властям придется постараться, чтобы компенсировать исчезновение 48,8 ГВт генерации. Источник: CarbonBrief.org

Если уголь — очень грязное топливо, то природный газ гораздо экологичней, и именно он считается наиболее перспективным ископаемым топливом для электростанций будущего, причем его EROI в странах-импортерах составляет 20-30:1, а в газодобывающей России — не ниже 75:1, что делает газ привлекательным и востребованным. В большей степени, чем где бы то ни было, — в Германии, где отказ от угля и АЭС нужно срочно чем-то компенсировать и где одни лишь ВИЭ на это не способы.

«Зелёный» EROI

Теперь перейдем к EROI «зелёной» энергии — вот где пока всё действительно не очень весело. Проблема возобновляемых источников энергии заключается в их жёсткой привязанности к местности. Солнечные станции лучше работают недалеко от экватора, ветряные — на морском побережье, геотермальные — в зонах вулканической активности. При этом выработка на солнечных панелях прекращается ночью и сильно снижается зимой, ветряки отключают на период миграции птиц, а геотермальные станции хоть и эффективны, но их мощность чрезвычайно мала (десятки, в лучшем случае сотни МВт).

В теории ветряная энергия может быть очень дешевой и малозатратной в плане освоения, но пока один из самых лучших немецких морских (оффшорных) комплексов при установленной мощности 200 МВт дает EROI 16:1. И хотя на ветер приходится более 21% немецкой выработки, отрасль пребывает в стагнации — темп строительства новых ветряков за год упал на 80%, а мощность строящихся станций в 26 раз ниже теоретического годового прироста, который считается необходимым для стабильного замещения ископаемого топлива энергией ветра. Строгость законов и нежелание граждан иметь ветряки рядом со своими домами привели к тому, что рынок ветряной энергии в Германии достиг некоего предела, перешагнуть который будет очень непросто, — вся надежда на модернизацию генераторов с целью повышения их эффективности. Это, кстати, может понизить EROI ещё сильнее.

Мировые инвестиции в солнечную и ветроэнергетику в последнее десятилетие практически не меняются. Источник: International Renewable Energy Agency (IRENA), Frankfurt School-UNEP Centre/BNEF

Если ветроэнергетика в целом неплоха, хотя имеет свои нюансы и пределы, то с гелиоэнергетикой всё совсем тоскливо. Мы уже писали о причинах того, почему Солнце не стало универсальным источником бесконечной электроэнергии, хотя эффективные солнечные панели существуют уже более полувека. Из-за низкого КПД дешевых тонкопленочных панелей (6-8%) и необходимости строительства станций очень большой площади, а также из-за зависимости от времени суток и сезона EROI солнечной энергетики в Европе находится на абсолютно обескураживающем уровне: 1,6:1. Читатель Хабра провёл очень интересные расчеты для теоретической станции в солнечной американской Аризоне, одном из лучших мест для гелиоэнергетики, по результатам которых получил «сферический в вакууме» EROI 3,8:1.

Полностью автономные электростанции Toshiba H2One на водородных топливных элементах уже успешно эксплуатируются. Энергию для электролиза они получают от Солнца или ветра

К сожалению, с водородной энергетикой пока тоже не всё гладко. В качестве абсолютно экологичного портативного энергоносителя водород незаменим, но для его добычи приходится тратить уйму энергии, из-за чего EROI топливных ячеек ниже 2:1. Пока что единственным экономически эффективным способом добычи водорода для топливных ячеек является использование энергии Солнца или ветра. Мы уже рассказывали, как Toshiba изящно решила эту проблему своей мобильной электростанцией Toshiba H2One на топливных ячейках, которая сама для себя вырабатывает водород электролизом, получая энергию от солнечных панелей и аккумуляторов.

Необходимость хранения электроэнергии

Едва ли можно найти столь же нестабильный источник выработки электроэнергии, какими являются ветер и солнечный свет. При этом их генерация не зависит от объёма потребления в сети — ночью, пока город спит, ветрогенератор может отчаянно крутиться, вырабатывая максимум возможной мощности просто потому, что так подул ветер, а днём — в пик потребления — настанет штиль. Чтобы не терять излишки выработки и компенсировать её остановку по естественным причинам, энергию необходимо запасать. Для электростанций на ископаемом топливе ранее такой проблемы не стояло. Единственным адекватным и широкодоступным способом хранения электричества являются аккумуляторы.

Гидроаккумулирующие станции мы не берем в расчёт из-за их высокой цены и требовательности к рельефу местности. Это — схема маленькой ГЭС, закачивающей воду в аккумулирующий бассейн ночью и пропускающая её через генераторы днём. Мягко говоря, не самое простое и удобное решение. Источник: Донор / Wikipedia

Пока не существует универсального решения по накоплению больших объёмов электроэнергии в аккумуляторах. На небольших станциях, например, ветряках, можно обойтись массивом литий-ионных (литий-железо-фосфатных) батарей. Их энергоёмкость вдвое ниже, чем у массовых литий-кобальтовых аккумуляторов (120 Вт·ч/кг), но зато срок жизни составляет 2000 циклов зарядки-разрядки.

Другой разумный вариант — использование отслуживших аккумуляторов из электромобилей. Обычно потерявший 20% ёмкости аккумулятор требует замены, иначе пробег автомобиля от одной зарядки заметно снижается. Чтобы не заниматься дорогостоящей утилизацией ещё функционирующей батареи, её можно приспособить для хранения энергии от «зелёных» источников. Так поступили на стадионе «Йохан Кройф Арена» (54990–68000 зрителей) в нидерландском Амстердаме, который после перестройки в 2016–2018 годах стал полностью автономен в энергетическом плане. На крыше установлено 4200 солнечных панелей, которые накапливают энергию в 280 отслуживших аккумуляторов от Nissan Leaf. Тем не менее, стадион не полностью отказался от питания от городской сети — батареи помогают сгладить нагрузку во время вечерних событий, когда требуется сильное освещение. На одних лишь только аккумуляторах стадион бы не смог работать каждый вечер.

На крыше «Йохан Кройф АренА» (бывший Amsterdam ArenA) отлично видны солнечные батареи — стадион по мере сил (и если с погодой повезет) обеспечивает себя электричеством. Источник: Cornwall NISSAN / YouTube

Накопление электроэнергии от ВИЭ в батареях для сглаживания пиков потребления и компенсации отсутствия выработки — звучит очень разумно. Но пока что не решена задача удешевления хранения энергии. Из-за стоимости аккумуляторов цена кВт·ч из «зелёных» источников вырастает в 3-4 раза, доходя до $0,45 (отчет Lazard, стр. 12). С этим можно справиться только созданием новых типов батарей: ёмких, выносливых, недорогих. О перспективных разработках в это области мы писали ранее.

Просьюмерство как способ сэкономить

Как решить проблему высокой стоимости накопленного в батареях кВт·ч от ВИЭ? Можно продавать образующиеся невостребованные излишки. Благодаря накоплению энергии появилось новое явление — просьюмерство. Антоним консьюмерству (потреблению), означающий продажу услуги её поставщику. Если проще, то речь идёт о продаже потребителем накопленной в батареях энергии обратно в сеть тем, кто в ней нуждается. Допустим, вы частное домохозяйство или небольшое предприятие, имеющее собственные источники генерации электроэнергии. Часть её потребляется, часть хранится в батарейных модулях. Если наблюдается переизбыток выработки, и лишнюю энергию в прямом смысле некуда девать, её можно продать в сеть, словно вы маленькая электростанция. Вернее, не маленькая, а виртуальная — мы писали о виртуальных электростанциях и участии Toshiba в формировании этого позитивного явления.

Уже сейчас Toshiba предлагает решение для управления батареей-хранилищем: система постоянно анализирует уровень потребления или выработки, выравнивая нагрузку на аккумулятор и подключая его в моменты пикового потребления гораздо быстрее, чем это можно сделать вручную. А в будущем система Toshiba получит функцию просьюмерства — автоматической продажи энергии в сеть. Источник: Toshiba

Самой заметной реализацией проекта виртуальной электростанции является Tesla Powerwall — домашняя батарея, питаемая от солнечной панели, емкостью 6,4-13,5 кВт·ч. Потребители могут не только запасаться дешевых электричеством из сети или «бесплатным» от Солнца, но и продавать его обратно в сеть с помощью онлайн-бирж. По всему миру было продано Powerwall с общей мощностью 300 МВт·ч.

В России также был утвержден «План мероприятий по стимулированию развития генерирующих объектов на основе возобновляемых источников энергии с установленной мощностью до 15 кВт» с аналогичным Tesla Powerwall смыслом, но законодательно процесс просьюмерства пока не прописан. Продажа излишков электричества поможет немного снизить стоимость потребления «зелёной» энергии. Но опять же всё упирается в стоимость аккумуляторов — на текущем этапе развития технологий срок их окупаемости приближается к 10 годам.

Будущее прекрасно, но далёко

Вообще-то мы не хотим сеять скептицизм относительно возобновляемых источников энергии и перехода на «зелёную» энергетику в целом. Нефть конечна, стоимость её добычи постоянно растет, а на одном газе и угле экологическую обстановку не поправить. Пока человечество не подчинило себе управляемый термоядерный синтез, придется вести самые активные разработки в области «зелёной» энергии. Это очень тернистый путь, состоящий из решения сложнейших проблем: экономических, технологических и даже социальных.

Лучшее, что можно сделать в такой ситуации — продолжать во что бы то ни стало исследования, пытаясь сделать солнечную, ветряную и геотермальную энергетику ещё эффективней и ещё доступней. Процесс идёт, прогресс не в тупике, и мир медленно, но уверенно отказывается от ископаемого топлива, пока его использование не стало слишком дорогим и опасным. И мы очень гордимся, что Toshiba принимает в этих делах самое активное участие, эффективно развивая все виды альтернативной энергетики.

Источник