Рассмотрев в первая часть Те вопросы, касающиеся возобновляемых источников энергии (ВИ??), которые до недавнего времени считались серьезным барьером на пути их развития, но впоследствии были устранены или ослаблены, мы подошли к проблемам ВИ??, которые актуальны и сегодня.
Плавучая китайская солнечная электростанция У: Фундаментальная изменчивость и неуправляемость VI поколения? ограничивает их долю в энергосистеме до 10-20%, после чего начинаются аварии и отключения электроэнергии.
Ответ: Изначально все крупные электрические сети имеют возможность корректировать производство и спрос – в масштабе 5-10% в течение минут и в масштабе 30-70% в течение суток.
Автоматизация этого процесса позволяет безболезненно интегрировать в сеть небольшие доли генерации ВИ, например, 10% годовой выработки в концентрированных источниках или 20%, распределенных по всей сети.
При дальнейшем росте проникновения переменных ВИ? проблемы начинают возрастать по мере истощения компенсирующих возможностей управляемых генераторов.
Доля VI поколения в Германии по годам.
Около 6-7 процентных пунктов здесь составляет гидроэнергетика и еще около 5% - тепловые электростанции, использующие биомассу.
На долю проникновения изменяемых VI? 25-30% от общего годового потребления, однако технических решений достаточно: внедрение систем прогнозирования погоды в диспетчерское управление (=генерация ВИ?), модернизация ТЭЦ для увеличения скорости изменения мощности , добавление новых линий электропередачи и подстанций для увеличения возможностей потоков электроэнергии.
Итак, в Германии с растущей долей изменчивого ВИ? с 8 до 20% с 2010 по 2015 год средняя продолжительность отключения электроэнергии на одного абонента осталась практически неизменной - с 11,5 до 12,2 минут в год (т.е.
2 тысячные доли процента времени).
Однако цена этой стабильности существенно возросла, о чем мы поговорим в соответствующем разделе.
Можно сказать еще несколько слов о технической стороне дела.
Традиционно балансировка электросети основывалась на двух моментах – синхронном вращении всех генераторов в сети, что привносило приличную инерционность и нечувствительность к быстрому изменению нагрузки, и активном регулировании мощности, позволяющем отыгрывать медленную и масштабную нагрузку.
смены (например, день-ночь).
В И? Генерация, например, солнечная, не обладает инерцией, но имеет возможность синтезировать необходимую для сети частоту, сопротивление источника (т.е.
подаваемый ток) и реактивные характеристики.
Современные ветрогенераторы также могут использовать инерцию ротора ветряной турбины для синтеза необходимой инерции сети, хотя этот метод пока не получил широкого распространения.
В сочетании с постоянными каналами связи с диспетчерским управляющим программным обеспечением сети ВИ теоретически могут обеспечивать бесперебойную работу электросети, хотя в силу определенной новизны этого явления и сложности явления все же остаются проблемы (например, масштабное отключение электроэнергии в Австралии в феврале 2017 года произошло из-за нарушения корректного взаимодействия сетей ветрогенерации и тепловой энергии) Можно с осторожностью сказать, что на данный момент скорость внедрения VI? не очень велика, исходя из стоимости перевода энергосистемы страны на возобновляемые источники энергии; технические проблемы незначительны – управление сетью и диспетчеризация успевают адаптироваться к существующей ситуации.
У: Чтобы сбалансировать изменчивость VI? необходимы невероятные объемы хранения электроэнергии — в сотни раз превышающие их годовое производство сегодня.
Это означает, что балансировка невозможна.
Ответ: Накопление – это самый простой логический способ борьбы с изменчивостью: мы накапливаем энергию при избытках погоды и тратим энергию при ее недостатках.
Для солнца в благоприятных локациях (где LCOE первичного электричества панелей невысок) ежедневные накопления постепенно покидают лаборатории и уходят в поле - появляются первые проекты (например, таких проектов уже есть пару десятков) ) с мощностью панели в десятки мегаватт, емкостью аккумуляторов в десятки и сотни мегаватт*часов - в простейшем случае «всегда хорошей погоды» этого достаточно для круглосуточного снабжения потребителей мощностью примерно 25-30% от установленная мощность солнечной системы.
Проблема начнется, если мы попытаемся продлить бесперебойную подачу электроэнергии за пределы «одного прекрасного летнего солнечного дня».
Изменение теоретической мощности модуля СБ в течение года (день года на нижней оси) в зависимости от широты установки.
Действительно, даже при первом взгляде на годовые графики VI?-генерации становится видна их сезонность, для солнечных электростанций, скажем, в Германии, достигающая 30-кратной (!) разницы между летним пиком и зимним минимумом.
Это значит, что нужно либо построить внушительный избыток VI?-генерации (в 7, а может и в 10 раз), либо иметь возможность запасать летнюю энергию на зиму.
Еженедельный график производства VI? в Германии в 2017 году.
Разница по солнцу между худшей неделей (51) и лучшей (22) достигает 53 раз.
В сценарии сезонного хранения размеры батарей, рассчитанные по модели, для стран умеренных широт составляют несколько процентов годового потребления энергии для 60-85% доли VI-генерации.
Несколько процентов для Германии, скажем, это 10.15 ТВтч, при том, что мировое производство литий-ионных аккумуляторов сегодня составляет около 0,25 ТВтч в год. Для США и Китая цифры еще колоссальнее – речь может идти о 50.200 ТВтч.
Более того, эти цифры оптимизированы для определенного сочетания изменчивости, потому что, например, в случае с Германией антикорреляция сезонности ветра и солнца (видна на графике выше) играет роль в уменьшении размера накопления.
.
С другой стороны, в этих цифрах нет ничего принципиально невозможного — лития на планете достаточно, чтобы построить такое количество мегабатарей, человечество также умеет строить заводы.
Цена такого решения вызывает вопросы, но об этом ниже.
Чуть лучше ситуация с возможным хранением электроэнергии в гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) - здесь можно найти множество естественных и искусственных образований , которые позволяют хранить необходимые объемы электроэнергии, но такие места разбросаны по планете крайне неравномерно, и если крупные страны, такие как США, скорее всего, справятся с вопросом накопления, не увеличивая производство лития -ионные батареи в 1000 раз, чтобы потом в Европе создать аналогичный объём ГА? Это может не сработать.
В Чили активно развиваются проекты гидроаккумулирования солнечной энергии
Наконец, для солнечных электростанций есть вариант солнечно-тепловых электростанций с накоплением тепла – эта технология развивается и обещает круглосуточную электроэнергию по доступной цене, но на сегодняшний день ее перспективы не совсем ясны.
Если возникнут вопросы хранения энергии, поскольку доля возобновляемых источников энергии увеличится? станут острее - тогда, возможно, некоторые из них уберутся с помощью CЭC-тепловые аккумуляторы .
Пока вопросы балансировки пытаются решить путем компромисса – за счет расширения компенсирующих возможностей других типов электрогенераторов, строительства специальных «пиковых» газовых электростанций, строительства местных батарей, спрос на «24-часовой ВИЭ» — вся эта деятельность несколько увеличивает допустимую долю неконтролируемой генерации в электросистеме.
В будущем, судя по всему, количество проектов по хранению энергии будет увеличиваться, но пройдет очень много времени, прежде чем появится какая-то системность и системная значимость из-за колоссального разрыва между сегодняшними масштабами реализации и теоретическими потребностями.
У: Никто не учитывает реальную стоимость балансировки изменчивости ВИ? в энергосистеме.
Когда эта стоимость станет известна, какие планы по внедрению VI? рухнет. О: Я уже упоминал выше, а как насчет доли изменяемых VI? 10-20% затрат покрываются встроенными компенсационными механизмами энергосетей и поэтому являются невидимыми.
Однако при превышении этого уровня они начинают расти.
Допустимую долю альтернативных источников можно увеличить традиционными способами - введением прогноза ВИ генерации на часы и дни вперед, усилением маневренности регулируемой генерации (ТЭЦ, АЭС, ГЭС), увеличением количества подключений в сети.
сеть, управляющая (если возможно) спросом на электроэнергию.
Стоимость этих решений, согласно исследованию (M. Joosa, I. Staffellb, 2018), весьма значительна — сетевые затраты в Германии и Британии выросли на +60% при увеличении доли переменных VI? от 8 до 20% и от 3 до 14% соответственно.
Здесь нужно понимать, что функция затрат крайне нелинейна – основная часть затрат приходится на моменты, когда компенсационные возможности электросети достигают предела.
Этот момент хорошо иллюстрирует эта картинка 
Здесь затраты немецких операторов электросетей на балансировку переменных ветров выражены в евро.
В 2012 году они потратили 200 миллионов евро на 50 ТВт-ч (4 евро за МВт-ч - несколько процентов от LCOE ветра), а в 2015 году, когда ветра было необычайно много, они потратили 1,100 миллионов евро на 80 ТВт-ч, т.е.
13,75 евро за МВтч – более 20% LCOE ветроэнергетики в Германии в 2015 году.
Ситуацию можно проиллюстрировать так: при растущей доле ВИ? затраты на систему растут, а если LCOE VI? уменьшается с ростом их объемов, система LCOE сначала падает, а начиная с определенной доли сменяется ростом, причем этот рост ускоряется Ускорение роста LCOE системы с увеличением доли VI? можно объяснить в достаточно очевидных деталях (большая доля VI?-энергии не принимается системой за ненадобностью, мощность традиционной генерации падает, необходимо строить все больше сетей и т. д.), но в целом это можно объяснить объяснить в более общем плане: старая структура энергосистемы становится все менее оптимальной для ВИ? и надо строить новый, уже оптимизированный под большую долю ВИ?.
Поскольку строительство очень затратное (речь может идти о нескольких годовых ВВП страны), оно должно растянуться на десятилетия.
И все эти десятилетия энергосистема будет работать в неоптимальном режиме, т.е.
среднесрочный LCOE системы будет выше долгосрочного.
Это одновременно хорошая и плохая новость для фанатов VI? - с одной стороны есть свет в конце туннеля (и развитие технологий работает на удешевление), с другой стороны, сначала ВИ? Впереди мучительные десятилетия высоких затрат, которые не все страны смогут нести.
Размер этих затрат можно оценить сверху - например, 10 ТВтч литий-ионных аккумуляторов обойдутся (при несколько перспективной стоимости) в триллион долларов, строительство трансконтинентальных электростанций в Европе в масштабе 200 ГВт обойдется еще триллион долларов, строительство терраватта ветряков обойдется еще в два триллиона и т.д. Таким образом, получается следующая градация: 10-20% VI?-поколения сегодня могут себе позволить практически все страны, а южные и богатые или расположенные в уникальных местах смогут позволить себе больше при стоимости, равной или даже меньшей.
чем традиционное поколение.
Доля 40-50%, если исключить страны с преобладанием гидро- или геотермальной генерации, ее могут себе позволить страны богатые или уникально удачно расположенные - сюда входят Германия, Дания (у которой уже почти 50%), Великобритания, Калифорния ( считая его отдельной страной), Техас, а также такие страны, как Саудовская Аравия, ОА?, Кувейт и другие монархии Персидского залива.
Дальнейшее увеличение доли VI? в этих странах потребует радикальной перестройки сетей и затянется на очень долгое время, выходя за горизонт надежного инерционного прогнозирования.
У: Ну да ладно, все как-то очень запутанно, но каковы перспективы ВИ?? Победят ли они все остальные источники или нет? Ответ: Вопрос требует знания будущего, которым я не обладаю.
Но если посмотреть на прогнозы различных компаний, то можно увидеть, что оптимисты (Bloomberg NEF) считают, что к 2050 году доля изменчивого VI? достигнет 48% в производстве электроэнергии (около 24% в первичной), а пессимисты (British Petroleum) — ~30% (15%) при текущей доле ~10% в производстве электроэнергии и около 4,5% в производстве первичной энергии.
Прогноз Bloomberg касается производства электроэнергии (40-50% от общего потребления первичной энергии, доля будет расти) 
Прогноз BP охватывает потребление первичной энергии, поэтому доля VI? здесь он выглядит меньше и разделен на несколько сценариев.
На мой взгляд, эти инерционные, компромиссные прогнозы можно смело выбрасывать в мусор - по крайней мере, ту плавную линию, которая проводится между сегодняшним днем и 2050 годом.
Развитие ВИ? будет определяться многими факторами - появятся ли новые дешевые аккумуляторы (при цене 50$ за киловатт-час аккумулятора цена 24-часового однодневного солнца будет равна газу/углю в большинстве стран мира ), появится ли «конец углеводородов» или новые вещи, типа сланцевой/глубоководной нефти, или глобальное потепление станет слишком очевидным, чтобы пускать его на тормоза.
Другой стороной может стать потеря популярность «зеленой» темы, усталость избирателей от издержек «энергетического перехода», экономические трудности и стагнация энергопотребления.
Еще один прогноз по батареям от BNEF - к 2050 году будет установлено 1291 ГВт(*ч?) батарей, из них 40% локально в домах с электроснабжением, $70 за киловатт*час аккумуляторного модуля (сегодня эта цена около $200).
Ведь история знает множество несбывшихся энергетических прогнозов - например, прогнозы развития атомной энергетики в 60-е годы расходились с реальностью примерно в десять раз, или прогнозы 15-летней давности по развитию возобновляемой энергетики? в Испании к 2020 году – вдвое больше.
Единственное, что можно предсказать, это до 2050 года в мире.
такой ситуации точно не произойдет абсолютное доминирование VI?, хотя Bloomberg NEF для VI? + гидроэнергетика дает прогноз в 64% общего производства электроэнергии (что соответствует примерно 30-32% первичной продукции - сегодня примерно равные доли занимают уголь, газ и нефть).
Лишь к концу XXI века инерционные прогнозы дают практически полный переход к VI?, но предсказать вероятность того, что это произойдет, совершенно невозможно.
В: А как насчет технологического прорыва, новых солнечных батарей или супербатарей – какие здесь перспективы? Может ли быть что-то на горизонте? А: Ищете инновации в области VI? и накоплению энергии в последние 10-15 лет были брошены очень серьезные финансовые и человеческие ресурсы.
Однако конкуренция среди научных групп в этой обширной области чрезвычайно ожесточена.
Группы вынуждены пропагандировать свои открытия, поэтому каждую неделю можно услышать об очередном прорыве в области аккумуляторов или, чуть реже, в области VI поколения.
Развитие литий-ионных аккумуляторов можно проиллюстрировать увеличением удельной энергоемкости (Втч на килограмм).
Хотя точки заполнены экспоненциальной кривой, прямоугольник прогноза скорее говорит о продолжении роста к 2030 году (в 1,66 раза).
Хоть удельная энергоемкость и не связана напрямую со стоимостью, но влияет на нее – меньше материалов на кВтч – ниже цена.
Однако беспристрастная статистика показывает, что количество выданных патентов в этой области снижается с пика в 2015 году.
Сегодня на рынке доминируют СБ из поликристаллического кремния (тогда как 10 лет назад 4-5 различных технологий имели равные доли) и 2- 3 очень похожих типа конструкции ветряных турбин намекают на то, что технологическая консолидация VI? законченный.
Это, в свою очередь, означает, что лаборатории пока не нашли вариантов, которые обещали бы прорыв от нынешнего уровня, а основные производители перешли от поисковых исследований к оптимизации, где получить новый патент сложнее.
Здесь действует еще один фактор.
Например, в течение многих лет в цене на солнечную электроэнергию доминировала стоимость полупроводниковых панелей.
Однако в годы бума эта стоимость упала настолько, что доля «полупроводниковой части» упала до <50% of the total cost of SЭS. A further reduction in price has lost its former strength and does not have the same effect on LCOE, which means it is no longer so in demand by the market. 
2018 год на этой карте – это прогноз, который пока не сбылся; цена застыла на уровне 16-17, что тоже можно считать важным моментом в развитии технологий
Означает ли это, что нас сейчас ждет унылая эволюция, когда повышение эффективности на 10% за 10 лет считается суперкрутым результатом? Такая ситуация вероятна.
Однако, в отличие от гражданской авиации, остается вероятность того, что какая-то новая технология получит распространение.
Например, казалось бы, снижение цены панелей в 10 раз не имеет смысла для LCOE? Но это означает сильное упрощение вопроса накопления и балансировки – теперь за те же деньги можно будет установить огромный избыток панелей, которые просто не будут работать летом и при этом выдавать достаточную мощность зимой.
Будущее неизвестно, но физика/техника твердого тела по-прежнему регулярно преподносит сюрпризы, поэтому сбрасывать со счетов этот вариант пока рано.
Единственное, что можно сказать, это то, что даже если такая революция произойдет, повлияет ли она на глобальную траекторию внедрения VI? не раньше, чем через 10 лет, но полностью изменит все прогнозы через 15-20 лет. Если брать аккумуляторные технологии, то баланс здесь, наоборот, смещен в пользу вероятности революционных изменений, поскольку существует множество перспективных направлений развития и большой разрыв между теоретическими возможностями лития и реальностью.
В обозримом будущем вполне возможен хороший удельный рост характеристик аккумуляторов.
Также вероятно, что стоимость киловатт-часа снизится, что значительно расширит область конкурентоспособности VI?.
Подводя итог, можно сказать, что развитие VI?-поколения будет продолжаться в ближайшие десятилетия более быстрыми или медленными темпами, и этот тип генерации с каждым годом будет становиться все более конкурентоспособным.
В то же время можно ожидать, что экспоненциальный рост установленной мощности в ближайшее десятилетие превратится в линейный из-за замедления технико-экономического прогресса возобновляемых источников энергии, поэтому прогнозы середины века, сделанные на основе экспоненциальной экстраполяции, являются скорее всего, потерпит неудачу.
Теги: #Популярная наука #Энергия и аккумуляторы #вопросы и ответы #возобновляемая энергетика
-
Влияние Рамы На Характеристики Коптера
19 Oct, 24 -
Google Борется С Гриппом
19 Oct, 24 -
Кому Важно, Чтобы Isdef Жил Хорошо?
19 Oct, 24 -
О Чем Мечтают Андроиды
19 Oct, 24
