В конце прошлого года в Nature вышла статья, авторы которой попробовали выяснить: способны ли СЭС и ВЭС полностью обеспечить планету электроэнергией. Исследователи пришли к неожиданным выводам: солнечная энергия не сможет стать главной на планете ни в какой перспективе. Теоретически основную роль в добыче энергии могли бы взять на себя ветряки. Однако из мини-расследования Naked Science ясно, что на самом деле — не могут. Почему же углеводороды все еще способны на то, что не под силам более «продвинутым» источникам энергии?
Из чего состоит невидимая часть электростанций
Строительство солнечных и ветровых электростанций в наши дни обходится по тысяче-полторы долларов за киловатт установленной мощности. Это примерно столько же, сколько стоит угольная или газовая ТЭС, но фотоэлементам не нужно топливо, которое составляет две трети в цене электричества от ТЭС. Конечно, тепловая электростанция работает больше часов в году, ведь ей не требуется ждать солнца или ветра — она сама обеспечивает себя источником энергии. Но даже с учетом этого кажется очевидным: СЭС и ВЭС уже дешевле ТЭС.
И многие реально так думают: подобное мнение можно встретить в некоторых научных работах (правда, почему-то в основном не по энергетике), и даже зеленые в Европе объясняют нынешний скачок цен на энергию «недостаточными инвестициями в возобновляемую энергетику».
Остается один вопрос: если все это так, отчего азиатские страны планируют в ближайшие десятилетия построить угольных ТЭС на 300 гигаватт мощности? К слову, это куда больше общей мощности всех электростанций России. А ведь у КНР и так самая мощная угольная энергетика в мире. И дело не только в китайцах: еще на 300 гигаватт угольных станций напланировали себе другие азиатские страны, включая Японию, в которой еще недавно так много говорили о безуглеродном будущем планеты. Неужто все они просто вдруг забыли, что солнце и ветер дешевле угля?
Мы сравниваем солнечные, ветровые и тепловые электростанции так, будто это один и тот же продукт: вот здесь в него вход (солнечная батарея, угольная топка), а вот здесь — выход, электроэнергия по проводам.
На самом деле, типовая схема электростанции совсем не такая. Электростанции любого типа — если она не экзотика, а основной тип электростанции в системе — обязательно нужен еще и большой запас энергии. Но в силу технических причин, которые мы рассмотрим ниже, на тепловой электростанции накопитель можно поставить до самой генерации, а вот на альтернативных электростанциях он должен располагаться уже после процесса производства электроэнергии
Возьмем любую угольную станцию, например Барнаульскую ТЭЦ-2. Мощность — всего 275 мегаватт, это довольно средняя цифра, на планете много и гигаваттных станций. Нормативный запас угля на станции — 57 тысяч тонн. Фактический на, к примеру, 12 февраля 2022 года, однако, 116 тысяч тонн. При морозной погоде (то есть максимальной нагрузке) она жжет четыре тысячи тонн в сутки: значит, нормативного запаса хватит на две недели, а реального — на месяц. И не стоит думать, что 100 тысяч тонн плюс требуют каких-то огромных хранилищ — такое количество угля с запасом поместится в куб со стороной всего в 45 метров.
Следовательно, угольная ТЭС — комплекс из собственно электростанции и огромного (или, точнее сказать, колоссального) аккумулятора, роль которого играет банальная угольная куча. Чтобы осознать масштаб такого гиганакопителя, напомним: 116 тысяч тонн при сжигании дадут 300 миллионов киловатт-часов.
Самый совершенный из крупных литиевых накопителей на планете — Tesla Megapack, он содержит три тысячи киловатт-часов. Иными словами, простая угольная куча на второразрядной российской угольной станции — эквивалент 100 тысячам Tesla Megapack. Если бы подобная накопительная станция существовала, она весила бы от 2,3 миллиона тонн — ведь каждый «мегапак» весит 23 тонны. То есть вот эта самая низкотехнологичная черная пылящая куча весом в 116 тысяч тонн отдаст на единицу массы в пару десятков раз больше электроэнергии, чем весьма высокотехнологичная и напичканная электроникой система, которую пока на планете не умеет делать никто, кроме Tesla.
Что с экономикой? «Мегапак» стоит миллион долларов — по меркам литиевых накопителей это очень дешево. Сто тысяч таких аккумуляторов обошлись бы в скромные сто миллиардов долларов.
Тонна угля до начала газового безумия, вызванного нежеланием Европы заключать долгосрочные контракты с Россией, стоила сто долларов за тонну. А вот после — почти 200. Правда, в нашей стране цены ниже, но допустим, что у Барнаульской ТЭЦ цены европейские. Тогда ее угольная куча стоила бы 23 миллиона долларов.
Накинем два миллиона непредвиденных издержек. Получается, угольная куча запасает энергию в четыре тысячи раз дешевле, чем литиевый накопитель. Да, со временем литиевые аккумуляторы подешевеют, но не в четыре тысячи раз, и даже не в 40. Разрыв не станет меньше, чем несколько сот раз.
Вспомним планы азиатских стран: 300 гигаватт — это 1090 Барнаульских ТЭЦ. Нормативный запас угля около них — 60+ миллиона тонн угля. Представим, что Китай и прочие Японии решили заменить все это на солнечные и ветровые электростанции с «аварийным» запасом энергии на две недели.
У угольной ТЭС роль такого запаса играет угольная куча: ее можно сжечь в любое время. У ветряка или фотоэлемента чисто технически нет возможности запасти энергию солнца или ветра на две недели затишья или облачности. Поэтому роль накопителя здесь может сыграть только внешний аккумулятор. Наиболее удобный их тип в сегодняшней энергетике — литиевый. Потребовалось бы примерно 100 миллионов Tesla Megapack.
Ценой в 100 триллионов долларов — а это примерно объем мирового ВВП. Неудивительно, что китайцы, японцы и все остальные выбрали уголь, не правда ли?
Может, огромные запасы энергии у угольных станций насыпают просто от нечего делать?
Возникает вопрос: но зачем же электростанции запас энергии, позволяющий ей работать две-четыре недели? Почему бы не предположить, что в реальности достаточно намного меньших запасов?
Причина есть: из исторического опыта известно, что иногда, раз в сколько-то лет, на железной дороге может упасть мост, в стране может случиться революция или произойти еще что-нибудь веселое и бодрящее. Если запаса угля на две недели на станции не будет, то электричество в морозный зимний месяц может запросто кончиться — с самыми печальными экономическими и даже гуманитарными последствиями.
На это логично возразить: но ведь солнце и ветер не зависят от любви человечества к «побузить». И от мостов на железной дороге — тоже. Светит все равно каждый день, да и ветер пока еще политическим факторам не подчиняется.
Что ж, да, СЭС и ВЭС свободны от антропогенных рисков, но зато постоянно зависят от рисков сезонных и погодных. Зимой в наших широтах (и на севере США) солнце слишком низко над горизонтом, да и там проводит куда меньше часов, чем летом. Значит, если бы у нас были одни солнечные электростанции, пришлось бы с лета накапливать столько энергии, чтобы продержаться всю зиму. Что тогда?
Допустим, азиатские страны решили бы вместо 300 гигаватт угольных станций построить 300 гигаватт СЭС. И снабдить их запасом, позволяющим с летних избытков протянуть всю зиму. Допустим, разница зимней и летней генерации там два раза (все-таки места южные), а не три. Тогда на три зимних месяца у азиатов возник бы дефицит мощности на 300 гигаватт. Исходя из среднего времени работы солнечной электростанции, дефицит выработки за зиму составит 38 миллиардов киловатт-часов.
А это 12,5 миллиона «мегапаков» ценой в 12,5 триллиона долларов (сравнимо с годовым ВВП США, например). Все эти 300 гигаватт СЭС будут стоить как минимум в 25 раз меньше.
Иными словами, высокотехнологичный аналог угольной кучи для ТЭС обойдется солнечной электростанции в 25 раз дороже, чем она стоит сама. Это просто не имеет смысла. Ведь цена электричества от фотоэлементов определяется именно стоимостью станции. Если ее — приложив аккумуляторы — поднять в 25 раз, проще сразу перейти на лучины. Никакая экономика не выдержит 25-кратного подъема цен на энергию.Если вместо этого восточные страны решили бы построить 300 гигаватт ветряков, то запасы энергии там пришлось бы делать на две-четыре недели — именно на столько затягивается безветренная или маловетреная погода над обширными регионами раз в год (а иногда чаще). Допустим, литиевым батареям нужно закрыть двухнедельный провал от затяжного зимнего штиля. Сколько это будет стоить?
Две недели генерации 300 гигаватт ветряков — примерно 30 миллиардов киловатт-часов. Десять миллионов «мегапаков», или всего десять триллионов долларов. Опять не взлетит.
Вывод: двухнедельный запас энергии нужен не только угольным ТЭС, но и ВЭС, и тем более СЭС — как только они из немногочисленных диковинок становятся основным видом генерации, который больше не страхуют ТЭС. А ведь именно такое будущее — основа безуглеродного перехода, каким его представляют на Западе. В таком будущем двухнедельные запасы — не прихоть, а необходимость. Без которой любую энергосистему ждут крупные отключения.
Еще один вывод: если двухнедельный запас энергии на солнечных и ветровых электростанциях будут поставлять литиевые аккумуляторы, полностью безуглеродной энергетики мы не увидим вообще никогда. Поскольку полностью безуглеродные страны будут слишком быстро становиться банкротами.
Но ведь в журнале Nature пишут, что полный переход на солнце и ветер вполне возможен?
Действительно, ближе к концу 2021 года в Nature вышла работа, из которой кажется, что переход на солнце и ветер как основные источники генерации вполне возможен. Ее авторы взяли реальное распределение солнечного света и ветров на планете за 1980-2018 годы — с почасовой точностью. Их сравнили с потребностями в электроэнергии за эти же часы в 42 странах в те же десятилетия.
Затем прикинули, что было бы, если бы электроэнергетика этих 42 стран в те годы обеспечивалась ветряками и солнечными батареями. Не в пропорции 10-30% от общего потребления, как у крупных стран сегодня (что позволяет заменять накопители внеплановой работой ТЭС), а вот прям совсем. Так, чтобы подавляющее большинство электричества получать от СЭС и ВЭС.
У авторов вышла, однако, не слишком радостная картина. Во-первых, оказалось, переход на солнечные батареи как на основной источник энергии — идея не слишком работоспособная. Исследователи вообще не смогли получить устойчиво работающих энергосистем на основе СЭС без создания крупных накопителей.
Даже страны с огромными площадями пустынь — например, Алжир и Египет — в их модели должны были получать от 65-70% своего электричества от ВЭС, а только оставшуюся треть — от фотоэлементов. Все потому, что даже в Алжире и Египте пики потребления электричества вполне бывают и зимой, а вот с солнцем в этот сезон все же хуже, чем летом. Для России и Канады ветряки вовсе должны обеспечивать 85% всей выработки электроэнергии.
Во-вторых, и с ветром все получилось не так уж здорово. Даже основанная на ветряках энергетика смогла закрыть потребности 42 изученных стран лишь от 72% до 91% всех часов в году. В среднем почти 20% всего времени года в энергосистемах без ТЭС спрос на электричество не покрывался.
Поясним еще раз: исследователи разобрали именно ситуацию, когда вся ветро-солнечная генерация отключается разом, потому солнце и ветер недостаточно сильны сразу на огромной территории, в масштабе целых государств. Они даже рассмотрели варианты для континентов, предположив, что целые континенты связаны ЛЭП, способными передать любой объем энергии в любую точку континента. Но и тогда ситуация нехватки электричества никуда не делась, только стала реже, но все еще осталась ежегодной.
Подобное происходит потому, что зима, например, наступает сразу на огромных площадях — и на всех них резко ограничивает солнечную генерацию. Безветренные периоды могут затронуть сразу многие миллионы квадратных километров, так как образующие их антициклоны часто достигают действительно огромных размеров.
Иными словами, ученые с цифрами и фактами в руках показывают: идея «где-то всегда будет дуть ветер, и мы получим электричество именно оттуда» — нерабочая. Ветер не сможет покрыть потребности в электроэнергии сразу на огромных площадях 20% всего времени в году. И с этим ничего нельзя сделать — так устроена природа Земли.
Исследователи попробовали решить вопрос малой кровью: добавили в модель литиевые батареи, способные закрыть провал в выработке СЭС и ВЭС на 12 часов. Это, например для США, потребовало бы емкости в пять миллиардов киловатт-часов — или 1,7 миллиона «мегапаков», добавим мы (кстати, ценой в 1,7 триллиона долларов).
Но и с такими накопителями вопрос стабильности снабжения не закрылся. В среднем каждый восьмой час в энергосистеме не было покрытия потребностей в электричестве: солнце светило слабо, ветер еле дул, а энергия из 12-часовых накопителей успевала кончиться. Наращивать мощность накопителей более 12-часовой слишком дорого, отчего авторы работы и не пытаются рассматривать такой вариант как магистральный.
Даже в самых благополучных по ветровым ресурсам странах, заключают ученые, «сотни часов отсутствия электроснабжения могут случаться ежегодно».
Из этого очевидно: когда СМИ пишут «ВЭС и СЭС уже сейчас дешевле ТЭС», они сравнивают цену автомобиля «на ходу» с ценой корпуса без колес и двигателя. Энергосистема, основанная на ВЭС и СЭС, но без ТЭС, просто не будет работать без блэкаутов 20% всех часов в году. А при таких блэкаутах не сможет работать и современная экономика. Азиаты это понимают (быть может, они читают Nature, в отличие от работников СМИ?), именно поэтому планируют строить угольные станции в больших количествах.
Что же делать?
Очевидно, устраивать зеленый переход туда, где каждый восьмой час нет электричества, никто не будет. Это ведь только в среднем он каждый восьмой — на практике такие часы будут идти группами, в зимние безветренные периоды, когда без электричества могут случиться самые настоящие человеческие жертвы. Тем более что никакого отопления газом в безуглеродном будущем не предусмотрено: топить будут питающиеся электричеством тепловые насосы.
О промышленности просто нет и речи: металлургический завод, который внезапно отключат, будет очень дорого вводить в работу снова. Процессы плавления нельзя прерывать в произвольное время по чисто техническим причинам.
Чтобы понять, что тут можно сделать, надо задаться вопросом: а как ветряки и СЭС работают сегодня, когда ни в одной стране не созданы даже 12-часовые запасы электричества в литиевых батареях или гидроаккумулирующих станциях?
Очень просто. Когда в Дании не дует ветер, она берет электроэнергию от угольных и газовых ТЭС в соседней Германии. Но что будет, когда угольно-газовые ТЭС в Германии закроют, как это и планируют зеленые?
Возьмем все тот же сценарий с 12-часовыми литиевыми накопителями в США. Как мы уже писали, он потребует 1,7 миллиона Tesla Megapack ценой в 1,7 триллиона долларов. На те же деньги в Штатах можно построить 1100 гигаватт ТЭС. Между тем 1100 гигаватт — общая мощность всех американских электростанций, вместе взятых.
Причем эти ТЭС смогут покрыть провалы в выработке ветряков (или СЭС) не жалкие 12 часов, а любое необходимое время. Следовательно, те 20%, которые «полностью ветровая» электроэнергетика сама покрыть не сможет, с легкостью закроются «накопителями» в виде самых обычных ТЭС.Правда, это означает, что их доля в энергетике упадет с двух третей до одной пятой, но никак не до нуля. И это минус: ведь современные представления о зеленом переходе требуют полной остановки выбросов СО2.
Есть более жирный минус: стоимость электричества от ТЭС в таком сценарии резко вырастет. Если ваша электростанция работает не половину времени в году, как работают ТЭС сегодня, а только 20% времени (столько, сколько нужно, чтобы покрыть провалы, показанные в статье из Nature), то отдача на вложенный капитал упадет в два и более раза. В цене киловатт-часа от ТЭС примерно треть составляет погашение стоимости самой станции, еще две трети — топливо.
Снижение отдачи от оборудования в пару раз будет означать повышение стоимости энергии от ТЭС как минимум на одну треть (⅓*2+⅔=4/3). То есть итоговая стоимость электроэнергии в системе заметно — и неизбежно — возрастет.
Но есть у сценария «ТЭС вместо литиевых батарей» и плюс. Например, такой: это единственный возможный вариант «зеленого перехода». Никаких других просто нет, поскольку иначе закрыть длинные провалы в генерации не получится.
Точнее, конечно, путь в эту сторону технически существует. Средняя АЭС имеет внутри своего реактора топлива на год работы (а то и больше). На этом фоне двух-четырехнедельный запас энергии на тепловой электростанции — просто мелочь. Франция, у которой доля атомной генерации доходила до ¾, вполне показала, что атом — довольно эффективное средство замены угля.
Но есть нюанс. АЭС плохо сочетаются с большим количеством ветряков и солнечных батарей. Все дело в том, что ветряки и СЭС не разорятся только в случае, если энергосистема всегда будет выкупать у них всю вырабатываемую энергию. Но и АЭС эксплуатировать выгоднее всего, если выкупать всю их выработку.Вот только АЭС работают 24 часа в сутки — и хотя их можно отключать на ночь, это плохо для их экономики, ведь снизится отдача на единицу вложенного капитала. То есть атомный реактор не может продублировать ветряк, не испортив свою экономику. Он способен только полностью его заменить, закрыв потребности общества в электричестве на 24 часа в сутки.
Тем более что в самом ближайшем будущем это станет делать еще проще, чем сейчас во Франции. Как писал Naked Science, в 2030-х электромобили станут большинством новых авто на планете. Энергию для них запасают чаще всего ночью, когда других видов нагрузки маловато. Поэтому острый для Франции вопрос «куда девать атомное электричество по ночам» уже в следующем десятилетии найдет весьма логичный ответ: на электрозаправку.
Но, увы, эта опция для западного мира в целом недоступна. Как мы уже отмечали, там утратили навыки строительства АЭС в срок и за разумные деньги. В XXI веке на Западе строят АЭС не меньше 15 лет и в результате по цене, делающей их электричество в разы дороже, чем на ТЭС. Та же Франция атомная на 70% за счет реакторов, построенных довольно давно, многие десятилетия назад. Поэтому атомный безуглеродный переход на Западе нереален.
Источник: NS
