В какой степени ветер и солнце смогут обеспечивать электроэнергией основные страны мира?

Опережающее развитие солнечной и ветровой энергетики – одна из основных тенденций в современной экономике. Согласно последнему прогнозу мирового энергетического развития Международного энергетического агентства (МЭА), доля солнечной и ветровой энергетики в производстве электроэнергии к 2050 году достигнет 40-68% в зависимости от сценария. Для сравнения, доля атомной энергетики снизится во всех четырех сценариях МЭА с нынешних 10% до 8%.

Аналогичные прогнозы роста генерации на основе солнца и ветра дают практически все аналитики, в том числе представители нефтегазового бизнеса. Скажем, в последнем прогнозе TotalEnergies солнечная и ветровая генерация – крупнейшие производители электричества в 2050 году в обоих рассматриваемых компанией сценариях.

В то же время быстрый рост солнечной и ветровой энергетики, которая отличается переменчивым характером выработки, порождает беспокойство в плане надежности энергетических систем.

Следует подчеркнуть, актуальные эмпирические данные свидетельствуют, что рост доли солнца и ветра не приводит к снижению надежности. В теоретическом плане вопрос также основательно изучен и опубликованы сотни работ, моделей, описывающие, как должна работать система с преобладанием переменчивой фотоэлектрической и ветровой генерации.

На днях была опубликована новая научная работа по вопросу. Группа ученых из США и Китая, представляющих Калифорнийский университета в Ирвине, Университет Цинхуа и другие, исследовали «Геофизические ограничения надежности солнечной и ветровой энергии во всем мире». Статья с таким названием вышла в Nature Communications.

Была проанализирована способность солнечных и ветровых ресурсов удовлетворять спрос на электроэнергию в 42 странах, варьируя гипотетический масштаб и сочетание возобновляемых источников энергии, а также емкости хранения энергии. В качестве исходных данных, среди прочего, использовалась статистика о почасовом потреблении энергии за 39 лет (1980–2018 гг.) в этих государствах.

Вывод работы ожидаем для специалистов. «Ветровая и солнечная энергия может покрывать более 80 процентов потребления во многих местах без сумасшедших объемов хранения или избыточных генерирующих мощностей, что чрезвычайно важно», — отметил Стив Дэвис, соавтор исследования, профессор науки о земных системах Калифорнийского университета. «Но в зависимости от страны может быть много многодневных периодов в течение года, когда некоторый спрос необходимо будет удовлетворить за счет хранения энергии и других неископаемых источников энергии, если мы говорим о будущем с нулевыми выбросами».

Согласно исследованию, энергосистемы без накопителей, в которых солнечная и ветровая генерация за год производят количество электроэнергии, соответствующее потреблению, более надежно работают при большей доле ветроэнергетики, что в общем-то понятно (солнце не светит ночью). Оптимальная доля ветровой электроэнергии в среднем составляет 65-85% (солнечной, соответственно, 15-35%), в зависимости от региона. Например, в северных странах, таких как Канада и Россия, оптимальное соотношение: 85%/15% в пользу ветроэнергетики.  Без систем накопления энергии солнце и ветер способны полностью покрывать потребление 72-91 процент времени в рассмотренных странах. С добавлением 12-часового хранения энергии такая система сможет удовлетворять потребности в электричестве 83-94% времени. При этом добавление накопителей энергии позволяет увеличивать долю солнечной генерации. Например, при наличии 12-часовых систем накопления энергии, оптимальная доля солнечной энергетики в среднем по всем 42 странам возрастает до 49%.

Далее авторы рассматривают вариант «избыточной» ВИЭ-генерации, когда на основе ветра и солнца производится в полтора раза электроэнергии за год, чем потребляется. В данном случае без накопителей солнце и ветер способны покрывать 94% потребления, а с 12-часовыми системами накопления энергии 98% потребления в среднем за год и по всем странам.

Другой вывод работы также не является откровением. Большие страны, «растянутые» по многим часовым поясам, гораздо проще могут интегрировать переменные ВИЭ, чем компактные государства. Последние уязвимы перед неблагоприятными погодными явлениями, а для таких стран как Россия погодный фактор относительно малозначим. Авторы подсчитали, что каждое увеличение площади в 10 раз приводит к повышению надежности солнечно-ветровой системы без накопителей на 7,2%. В этом плане Российская Федерация – идеальная страна для развития ВИЭ (см. график наверху).

При всех (краткосрочных) накопителях и даже при удачной географии могут случаться периоды, десятки, а то и сотни часов в год, когда выработка на основе солнца и ветра не может обеспечить потребление.

Что делать? Развивать долгосрочное хранение энергии, усиливать интеграцию энергосистем, и, разумеется, использовать традиционные методы обеспечения системной гибкости, такие как газовые электростанции, но «сжигающие углеродно-нейтральный биогаз, синтез-газ или водород».

«Во всем мире существуют определенные геофизические ограничения на нашу способность производить электроэнергию с нулевым выбросом углерода», — сказал Дэвис. «Все сводится к разнице между трудным и невозможным. Будет трудно полностью исключить ископаемое топливо из нашей структуры производства электроэнергии, но мы можем достичь этой цели, когда технологии, экономика и социально-политическая воля будут согласованы», — заключают авторы.

Источник: RenEn

Возврат к списку