Пятый элемент возобновляемой энергетики

Широко распространены две диаметрально противоположные точки зрения на возобновляемую энергетику: с одной стороны, это представление о том, что при наличии политической воли уже сегодня возможно полностью перейти на «дешевые и неисчерпаемые» источники энергии, а с другой — что вся эта возобновляемая энергетика — просто дорогая игрушка для богатых стран, «подвинутых» на экологии. Технологическая сторона вопроса при этом остается в стороне от обсуждения — и зря.

Количество технологий для получения электроэнергии из солнечного излучения, движения воздушных масс, тепла земных недр или потоков воды измеряется сотнями, если не тысячами. Например, Национальная лаборатория по исследованиям в области возобновляемых источников энергии (США) выделяет четыре типа и более двадцати подтипов одних только фотоэлектрических преобразователей (используемых в качестве базового элемента солнечных панелей). Все они обладают разной эффективностью, себестоимостью и применимостью в конкретных условиях. А ведь фотоэлектрика — только один из способов преобразования солнечной энергии в электричество, наряду с солнечной термальной энергетикой (вместо прямого преобразования в электричество, солнечное излучение используется для нагрева материала-теплоносителя).

Не меньший «зоопарк» технологий существует в ветроэнергетике и среди различных приливных, волновых и геотермальных электростанций. Именно по этой причине различные показатели эффективности той или иной технологии, такие как EROEI (energy returned on energy invested, энергетическая рентабельность) представляют собой, в самом лучшем случае, грубые обобщения и оказываются малоприменимыми для практического анализа ситуации. Кроме того, по причине, которая станет ясна чуть позже, сам по себе ответ на вопрос о том, сколько энергии вырабатывает конкретная электростанция далеко не так прост, как может показаться на первый взгляд.

Более плодотворным для понимая ситуации в области возобновляемой энергетики был бы чисто экономический подход к вопросу. Конечно, анализировать потенциал каждой из существующих технологий было бы довольно неблагодарным занятием, особенно учитывая тот факт, что эти технологии стремительно развиваются, и вчерашняя статистика уже не отражает сегодняшнее состояние дел. К счастью, этого и не требуется, поскольку, с технической точки зрения, можно выделить один ключевой фактор, объединяющий практически все технологии возобновляемой энергетики (кроме биотоплива). Несмотря на принципиальную важность этого фактора, в большинстве дискуссий об альтернативной энергетике в СМИ он обычно вообще не затрагивается.

Молния в бутылке

Общей проблемой практических всех источников энергии, кроме электростанций, сжигающих углеводородное топливо, является их неспособность генерировать ровно столько электричества, сколько в данный момент требуется потребителям. В ядерную или, скажем, геотермальную электростанцию нельзя «подбросить угля», чтобы компенсировать пик энергопотребления. С солнечными и ветряными генераторами дело обстоит еще хуже — количество генерируемой ими электроэнергии зависит от природных процессов и потому вообще не поддается регулировке.

Отсюда, кстати, обманчивость паспортных показателей мощности электростанций. Та цифра, которую обычно называют «мощностью электростанции», представляет собой теоретическую максимальную мощность всех генераторов станции при их полной загрузке. При этом реально вырабатываемые объемы электроэнергии могут сильно отличаться в зависимости от типа электростанции. Так, при равной паспортной мощности, АЭС за год будет вырабатывать примерно в два раза больше энергии, чем ГЭС и в три раза больше энергии, чем ветряная электростанция.

Если доля возобновляемой энергии в электрической сети невелика, то неравномерное производство электричества из возобновляемых источников можно (относительно) просто уравновесить за счет традиционных электростанций. Однако чем больше возобновляемых источников включается в сеть, тем сложнее становится их балансировать. Для примера, одна из новых научных статей, посвященных вопросу хранения энергии, утверждает, что для балансировки 100% возобновляемой энергосети понадобятся мощности по хранению энергии на уровне 35% от общей мощности энергосистемы (Global Energy Storage Demand for a 100% Renewable Electricity Supply).

Значение накопления энергии настолько велико, что некоторые аналитики предсказывают возможный рост рынка систем хранения энергии с 200 млн. долларов в 2012 году до 19 млрд. долларов в 2017 (The Role of Energy Storage in the PV Industry – World – 2013 Edition). Другое исследование предполагает, что в рамках энергетических показателей, установленных стратегий «Европа 2020», Европейскому Союзу потребуются аккумулирующие мощности на уровне 10-15% от общего годового энергопотребления (Storage and balancing synergies in a fully or highly renewable pan-European power system).

На сегодняшний день в США имеются достаточные мощности для хранения 24,6 ГВт электроэнергии (по данным отчета Минэнергетики США Grid Energy Storage за 2013 год), что составляет примерно 2,3% от общей энергогенерирующей мощности этого государства. При этом 95% от этой цифры приходится на традиционные гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). (Принцип работы ГАЭС заключается в следующем: избыточная энергия сети используется для закачки воды из нижнего резервуара в верхний, при увеличении потребления эта вода сбрасывается, приводя в движение турбины генераторов). Кстати, именно в США расположена самая большая в мире ГАЭС мощностью более 3 ГВт, а второе и третье место в этом рейтинге принадлежат Китаю.

Впрочем, лидером по гидроаккумулирующей мощности является ЕС: по данным Eurostat за 2013 год на территории ЕС расположены 232 ГАЭС общей мощностью в 42,6 ГВт (в первом приближении — что-то около 6% от общего производства энергии в ЕС). Для сравнения, суммарная мощность всех гидроэлектростанций Днепровского каскада составляет чуть меньше 4 ГВт. По мнению экспертов Объединенного исследовательского центра при Еврокомиссии, существующий в странах-членах и кандидатах в члены ЕС потенциал позволяет увеличить доступную гидроаккумулирующую мощность в 3,5-10 раз.

Разрабатываются и другие технологии накопления энергии. В числе уже используемых, но пока не получивших широкого распространения способов следует упомянуть аккумулирующие системы на сжатом воздухе, использование избыточной энергии для получения водорода путем электролиза и хранение энергии с помощью мощных стационарных аккумуляторных батарей. Вполне серьезно рассматривается идея использования для накопления энергии аккумуляторов гибридных и полностью электрических автомобилей — при достаточно большом автопарке их суммарная емкость оказывается достаточно значительным ресурсом для энергосистемы (ряд локальных проектов такого рода уже реализован в Японии, США и ЕС).

Экономика накопления

С учетом вышесказанного, становится понятно, что вопрос о перспективах возобновляемой энергетики заключается не в том, сколько стоит заменить угольную электростанцию на равную ей по мощности ветряную. Это, кстати, совсем недорого — один киловатт новой ветряной мощности уже сейчас стоит примерно столько же, сколько один киловатт угольной, и даже дешевле, чем киловатт мощности ГЭС (Updated Capital Cost Estimates for Electricity Generation Plants, EIA 2010). Проблема заключается в возможности реального включения новой мощности в национальную электросеть без нарушения ее стабильности.

Хорошим примером здесь может служить солнечная энергетика. Так, Европейская ассоциация фотоэлектрической промышленности в одном из последних отчетов утверждает что СЭС уже способны конкурировать по цене с дизельными генераторами, используемыми для компенсации пикового потребления энергии, и могут стать конкурентоспособными источниками энергии уже к концу текущего десятилетия (Global Market Outlook for Photovoltaics 2014-2018). В начале текущего года Министерство энергетики США объявило, что американская солнечная энергетика прошла более 60% пути к окупаемости: один киловатт-час солнечной энергии в США сейчас стоит 11 центов (в 2010 году — 21 цент), в то время как конкурентоспособной ценой считается 6 центов за кВт·ч.

Все эти цифры достаточно справедливы, однако только для такой электросети, в которой возобновляемые источники энергии только часть от общей мощности и могут балансироваться с помощью традиционных электростанций. Одно из исследований проблемы интеграции ветряной энергетики в электросеть оценивает стоимость этого процесса в 0.5-1 цент за 1 Квт·ч. Эта цифра, однако, быстро увеличивается по мере увеличения доли нестабильной генерации в структуре энергетики (SunShot Vision Study).
Интересно, что уже сегодня электросети Германии иногда бываю вынуждены «сбрасывать» избыточное электричество в соседние страны (например, в Нидерланды) по цене ниже рыночной или вообще бесплатно, из-за невозможности обеспечить его хранение.

Несмотря на очевидное наличие технической потребности в больших мощностях для накопления энергии в странах ЕС (International Energy Report 2013), экономическая целесообразность инвестиций в системы накопления энергии пока не столь очевидна. Недавний отчет Объединенного исследовательского центра при Европейской комиссии, построенный на анализе более чем 200 публикаций по вопросам хранения энергии пришел к выводу, что окупаемость систем хранения энергии может колебаться в широких пределах в зависимости от конкретных технических, регуляторных и географических факторов (Assessing Storage Value in Electricity Markets).

Это, как и общей весьма осторожный тон отчета, хорошо согласуется с тем, что до тех пор, пока доля возобновляемой энергетики в общем энергопотреблении не превышает некоторых пороговых значений, ее нестабильность гораздо проще и дешевле компенсировать за счет ТЭС. Тем не менее, уже сейчас системы аккумулирования энергии оказываются вполне оправданным решением для стран с большой долей возобновляемой энергетики. А учитывая, что ряд технологий накопления энергии либо уже достигли своей зрелости, либо вплотную подошли к этой черте, можно предположить, что проблема интеграции возобновляемой энергии в энергосеть имеет экономически удовлетворительное решение. Это, правда, потребует пересмотра как технических, так и экономических принципов организации электросетей.