Какова реалистичная роль возобновляемых источников энергии в энергетическом переходе?

Статья затрагивает актуальные вопросы перехода к использованию возобновляемых источников энергии в контексте мировой энергетики и рассматривает критические проблемы и ограничения, с которыми сталкивается этот сектор. Разбираясь в деталях работы различных видов энергетических установок и осматривая текущие тенденции в производстве электроэнергии, автор поднимает вопросы, связанные с прерывистостью производства возобновляемой энергии, проблемами сетевого подключения, землепользованием, доступом к сырьевым материалам, а также вызовами утилизации отходов. Эти элементы рассматриваются в контексте глобальной энергетической устойчивости и потенциальных путей развития в обозримом будущем. 
Особое внимание уделяется анализу того, как текущий уровень технологического развития влияет на возможность возобновляемых источников энергии занять значительную долю в общем энергетическом балансе мира и каким образом они могут быть эффективно интегрированы в существующие энергетические системы.

ВВЕДЕНИЕ

Когда мы говорим об энергетическом переходе, сектор электроэнергетики находится в центре внимания. Этот сектор важен как сам по себе, обеспечивая 20% общего потребления энергия, так и в качестве инструмента декарбонизации промышленности, транспорта и жилищного сектора. Практически все доступные технологии для промышленности, транспорта и зданий предполагают переход на электричество или «зеленое» топливо, полученное с помощью электричества (например, зеленый водород). Альтернативой является использование технологий улавливания углерода, которые не являются 100% экологически чистыми и не кажутся экономически обоснованными в ближайшем будущем.

Сектор электроэнергетики претерпевает глобальные изменения. За последнее десятилетие стоимость возобновляемых источников энергии значительно упала: солнечная энергия - на 70-85%, ветряная энергия - на 40-60%. Доля возобновляемых источников энергии быстро растет: в 2022 году они составляли большую часть новых мощностей. Эксперты утверждают, что введение новой солнечной или ветряной производственной мощности стало дешевле, чем уголь или даже природный газ, и что декарбонизация электросети - это лишь вопрос масштабирования солнечных панелей и ветряных турбин, и что лобби нефти и газа, а также недобросовестные или плохо осведомленные политики - единственные препятствия на пути к электроэнергии без выбросов. Давайте разберемся насколько эти утверждения корректны.

Прежде всего, давайте разберемся с основными понятиями. Электричество и энергия - это два разных понятия. Энергия — это более обширный термин и охватывает широкий спектр применений, таких как отопление, транспорт, сжигание топлива в производственных процессах, производство электроэнергии и др. То есть когда вы заряжаете свой телефон, ноутбук или электромобиль, это потребление электроэнергии и, как следствие, потребление энергии. Но когда сталелитейный завод в Индии сжигает уголь в доменной печи для производства чугуна, это потребление энергии, а не электроэнергии. В мировом масштабе потребление электроэнергии составляет примерно 20% общего потребления энергии. Еще 25% приходится на транспорт, 35% потребляется в промышленных процессах, и около 20% в жилищном и коммерческом секторах - например, для отопления и приготовления пищи.

Во-вторых, давайте быстро освежим, как работает электроэнергия. Генерация и передача электроэнергии в основном связаны с концепцией преобразования различных форм энергии в электрическую мощность. В центре большинства традиционных электростанций, независимо от типа используемого топлива, находится механизм турбины. Обычно топливо сжигается или подвергается реакциям для выработки тепла. Затем это тепло используется для превращения воды в пар. Под давлением этот пар приводит в движение турбину. Когда лопасти турбины вращаются, они работают с генератором, преобразуя эту механическую энергию в электрическую. После генерации электроэнергия направляется в сеть. На подстанциях электроэнергия поднимается до более высоких напряжений, обеспечивая ее эффективную передачу на большие расстояния.

Если углубиться в специфику каждого типа станции, угольные электростанции работают, сжигая уголь для выработки необходимого тепла, которое превращает воду в пар. Электростанции на природном газе сжигают метан. Некоторые передовые газовые электростанции, известные как станции комбинированного цикла, улавливают отходящее тепло с помощью второй паровой турбины, тем самым увеличивая свою эффективность. Атомные электростанции вырабатывают тепло через ядерные реакции деления в урановых стержнях, производя пар без фактического сжигания топлива. Гидроэлектростанции используют кинетическую энергию падающей или текучей воды, направляя ее на лопасти турбины для генерации энергии. Ветряные фермы используют кинетическую энергию ветра, и турбины преобразуют ее напрямую в электрическую энергию.

Технология солнечных фотоэлектрических элементов отличается от этих методов. Когда солнечный свет попадает на солнечные ячейки из полупроводникового материала, это вызывает электрический ток. В отличие от большинства других методов, здесь нет турбины. Произведенный ток является постоянным током (DC) и затем преобразуется в переменный ток (AC) для более широкого использования. 

Что касается потребления, здесь работает динамическое взаимодействие факторов. Базовая нагрузка представляет собой основной уровень спроса на электрическую сеть за определенный промежуток времени. Станции, которые удовлетворяют этому спросу, такие как угольные, ядерные или крупные гидростанции, работают непрерывно. В пиковые периоды, когда потребление электроэнергии возрастает, пиковые станции, в основном на природном газе, активируются, чтобы удовлетворить эти всплески спроса. Между этими двумя крайностями находится промежуточная нагрузка. Это время, когда потребление электроэнергии выше базовой нагрузки, но еще не достигло пика. В эти периоды используется смесь источников энергии для удовлетворения спроса.

Теперь давайте рассмотрим, как можно перевести производство электроэнергии с ископаемых топлив на зеленые альтернативы. Глобальное производство электроэнергии в значительной степени доминируется углеводородами – около 70%, затем идет ядерная энергия 10%, гидроэлектроэнергия 10%, ветряная энергия 5% солнечная энергия 3%  и др. (см. диаграмму 1).
 

Диаграмма 1. Мировое производство электричества в разрезе источников, ТВтч 

Источник: https://ourworldindata.org

Масштаб изменений, которые необходимо осуществить, чтобы уйти от углеводородов, огромен. Кроме того, нам следует помнить, что это данные за 2022 год - к 2050 году общее потребление электроэнергии по различным сценариям ожидается увеличение в 1,5-2 раза.
Переход такого масштаба не кажется реалистичным, особенно если учитывать ограничения солнечной и ветряной энергии.

Рассмотрим эти ограничения по отдельности.

ПРЕРЫВИСТОСТЬ ГЕНЕРАЦИИ

Солнечная и ветряная энергетика являются «прерывистыми» источниками энергии, то есть они не могут генерировать электроэнергию 24/7, 365 дней в году, а только когда солнце светит и ветер дует. Есть только два основных способа преодолеть эти ограничения:

1. Построить дополнительные резервные мощности для компенсации падения производства ветряной и солнечной энергии. Эта вспомогательная мощность должна опираться на стабильный источник энергии, такой как ископаемые топлива или ядерная энергия. Это, в свою очередь, увеличивает стоимость производства электроэнергии и делает процесс генерации крайне неэффективным.

2. Использовать технологии хранения энергии. Существует большое количество технологий, которые потенциально могут хранить энергию в периоды ее избыточного производства и использовать ее, когда солнце не светит или ветер не дует: различные виды батарей, гидроаккумуляционные станции и другие. Однако реальный масштаб и стоимость хранения энергии, необходимой для работы возобновляемой энергетики, недооценены. Для того чтобы конкурировать с традиционными способами генерации электроэнергии, стоимость хранения для возобновляемой энергии должна упасть более чем на 80% до $20/кВтч.

Такие сложности ведут к увеличению стоимости производства электроэнергии и, следовательно, к повышению цен для конечных потребителей. Возьмем пример Германии.

Закон Германии о возобновляемых источниках энергии (EEG), введенный в 2000 году, является основополагающим законодательным актом в амбициозном энергетическом переходе Германии, известном как "Energiewende". Главной целью закона было продвижение развития возобновляемой энергетики в стране, с целью сокращения выбросов парниковых газов и уменьшения зависимости Германии от ископаемых топлив.

Одним из ключевых элементов EEG было введение так называемых тарифов на ввод в сеть. Это фиксированные выплаты, предоставляемые производителям энергии, которые вводят в сеть электроэнергию из возобновляемых источников. Эти тарифы были дифференцированы в зависимости от типа используемой технологии, такой как ветряная или солнечная, и предполагались к уменьшению со временем для новых установок.

Однако этот амбициозный переход к возобновляемым источникам имел финансовые последствия. Закон предусматривал механизм перераспределения, при котором разница между рыночной ценой электроэнергии и гарантированным тарифом на ввод в сеть распределялась между всеми потребителями электроэнергии. Это означало, что потребители будет нести часть издержек, связанных с переходом к возобновляемой энергии.

Диаграмма ниже показывает дополнительные затраты, которые несут немецкие потребители для компенсации увеличения доли возобновляемой энергии - самые консервативные оценки предполагают, что сбор увеличивает на 20% цену на электроэнергии, а также составляет почти столько же, сколько производственные затраты поставщика.

Диаграмма 2. Дополнительный сбор в рамках «Закона о возобновляемых источниках энергии» (Renewable Energy Sources Act) для домашних потребителей электроэнергии в Германии с 2003-2021, евроценты за киловатт-час.

Источник: Statista Research Department

ПОДКЛЮЧЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ ГЕНЕРАЦИИ К СЕТИ

Возобновляемые источники энергии обычно строятся в отдаленных местах, что требует новой инфраструктуры передачи, что в свою очередь требует дополнительных затрат. Эти затраты, как правило, не учитываются при сравнении стоимости генерации ВИЭ против традиционных источников, что искажает картину и ставит под сомнение аргументы экспертов, утверждающих, что ВИЭ дешевле традиционных источников.

Даже подключение возобновляемых источников к существующей инфраструктуре является большой проблемой: регулирование частоты и напряжения, инерция, распределенное генерирование и другие трудности усложняют процесс, иногда делая его технически невозможным.

На диаграмме ниже показано, как стимулирование строительства мощностей на базе возобновляемой энергии в США за счет крупных субсидий от государства привело к огромному увеличению очереди на подключение к сети.

Диаграмма 3. Очередь на подключение солнечных электростанций в США, ГВт

Источник: Berkeley lab electricity Markets & Policy (EMP).

ДОСТУП К СЫРЬЮ И МАТЕРИАЛАМ

Даже при текущей траектории декарбонизации, направленной на ограничение повышения глобальной температуры не выше 2,4˚С, к 2030 году многие минералы и металлы, используемые в ключевых декарбонизационных технологиях, столкнутся с дефицитом. В то время как некоторые материалы, такие как никель, будут в умеренном дефиците (примерно 10-20 процентов), другие, такие как диспрозий, который является магнитным материалом, используемым в большинстве электродвигателей, могут столкнуться с дефицитом до 70 процентов от спроса. Если не предпринять мер по смягчению этой ситуации, такие дефициты замедлят и без того вялый темп декарбонизации. Кроме того, эти дефициты приведут к резким ценовым скачкам и нестабильности цен на материалы, что, в свою очередь, сделает технологии, в которых они используются, более дорогими и дополнительно замедлит темпы их внедрения.

Диаграмма 4. Основные материалы для энергетического перехода.

Источник: McKinsey

Диаграмма 5. Сценарный анализ баланса спроса-предложения по основным материалам для технологий энергетического перехода, %

1. Сценарий, при котором текущая траектория развития возобновляемых источников энергии (снижение затрат) продолжается, но в настоящее время активная политика недостаточна для устранения оставшегося разрыва с целевыми показателями 
2. Сценарий, при котором переход будет ускорен в силу обязательств конкретных стран, хотя финансовые и технологические ограничения сохранятся 
3. Сценарий, при котором ведущие страны достигают обязательств по достижению нулевого уровня выбросов посредством целенаправленной политики; страны -последователи переходят более медленными темпами. 
4. Базовый сценарий - включает в себя все действующие месторождения (с учетом исчерпания, где это актуально) и проекты, которые в настоящее время строятся, а также проекты, для которых было проведено технико-экономическое обоснование и обеспечено финансирование, и проекты, для которых в настоящее время проводится технико-экономическое обоснование 
5. Амбициозный сценарий - включает в себя проекты, для которых было начато предварительное технико-экономическое обоснование. Проекты, которые были объявлены, но до сих пор не начали никакого предварительного технико-экономического обоснования, в прогнозы не включены.
Источник: McKinsey

Кроме того, мы продолжим наблюдать высокую концентрацию поставок минералов и металлов в ряде стран, включая, например, Китай (редкоземельные элементы), Демократическую Республику Конго (кобальт) и Индонезию (никель). В сочетании с нормативно-правовой базой, которая все больше ориентирована на регионализацию (как видно, например, из Inflation Reduction Act США и Green Deal ЕС), эти концентрированные поставки могут повлиять на региональный доступ к материалам, даже если глобальный рынок будет сбалансирован

ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЕ

Солнечные и ветряные электростанции требуют значительных площадей (таблица 1), часто преобразуя естественную среду обитания и изменяя внешний вид рельефа, вызывая недовольство населения. Лучшие места для этих возобновляемых источников энергии могут столкнуться с местами обитания исчезающих видов. Конкуренция за землю возникает между солнечными установками и сельским хозяйством, а ветряные турбины представляют угрозу для птиц и летучих мышей. Кроме того, утилизация по окончании срока службы этих возобновляемых источников энергии представляет собой дополнительную проблемы.

Таблица 1: Использование земли в зависимости от источника электроэнергии, акр/МВт

Источник: STRATA: THE FOOTPRINT OF ENERGY: LAND USE OF U.S. ELECTRICITY PRODUCTION

ПРОБЛЕМА ОТХОДОВ

К 2050 г. Международное агентство по возобновляемой энергии (IRENA) прогнозирует поразительные 78 миллионов тонн утилизированных солнечных панелей по всему миру. Такие огромные количества отходов представляют собой значительные экологические и логистические проблемы. Проблема усугубляется быстрыми инновациями в секторе возобновляемой энергии, которые могут побудить потребителей выбрасывать старые, менее эффективные модели до окончания их срока службы. Это может привести к созданию отходов с темпом, гораздо более быстрым, чем предполагалось ранее.

Что касается ветряных турбин, здесь возникает еще одна проблема. Огромные лопасти турбин, изготовленные из композитных материалов, не только трудно перерабатывать, но и занимают огромные объемы на свалках. Текущие оценки гласят, что в течение следующих 20 лет только в США может быть выброшено более 720 000 тонн лопастей ветряных турбин.

Усложняет ситуацию и фактор стоимости. Инфраструктура по переработке этих технологий недостаточно развита, главным образом, потому что их переработка стоит дорого. Например, переработка одной солнечной панели может стоить от 20 до 30 долларов, в то время как свалка будет стоить всего 1-2 доллара, что делает свалку привлекательным вариантом, несмотря на ее долгосрочные экологические последствия. Кроме того, хотя солнечные панели содержат небольшие количества ценных материалов, таких как серебро, основной их состав – стекло низкой стоимости. Это уменьшает финансовый стимул для инвестиций в переработку. Лопасти ветряных турбин, учитывая их не разлагаемую композитную природу, представляют схожие проблемы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Переход к возобновляемым источникам энергии на глобальном уровне с учетом текущего технологического уровня представляет собой серьезный вызов. Несмотря на значительные инвестиции и усилия по развитию этих технологий, они, вероятно, не смогут занять доминирующее положение в мировой энергетике в ближайшем будущем. Причины этого многочисленны: от прерывистости источников до сложностей подключения к сети.

Важно понимать, что возобновляемые источники энергии будут наиболее эффективными и экономически оправданными только в определенных географических районах, где они могут максимально использовать свои преимущества, и где инфраструктурные проблемы минимальны. Это означает, что стратегический подход к размещению и использованию возобновляемых источников энергии будет критически важен.

В завершение стоит подчеркнуть, что несмотря на все преимущества возобновляемой энергии, без значительных технологических прорывов и инноваций, ее роль в глобальной энергетике будет ограничена, дополняя, а не заменяя традиционные источники энергии.