Энергосистема-2050:
безуглеродное будущее
ОБЗОР ИНОСМИ / #8_2019
Источник: William Zappa, Martin Junginger, Machteld van den Broek. Applied Energy: Is a 100% Renewable European Power System Feasible by 2050 / Фото: Unsplash.com
Тема глобального изменения климата и перехода к возобновляемой энергетике одинаково глубоко интегрирована как в научный, так и в политический контекст современного общества. Чем бы ни считалось изменение климата — реальной угрозой или преступным заблуждением — оно прямо сейчас меняет энергетическую картину мира. Обозреватель «Атомного эксперта» Антон Смирнов рассказывает об одной из самых цитируемых научных статей 2019 года — работе ученых из Утрехтского университета, которые задались простым вопросом: возможно ли будущее, построенное исключительно на возобновляемых источниках энергии? И дали на него сразу несколько ответов.
В 2011 году Европейский союз подтвердил намерение сократить выбросы парниковых газов на 80−95% к 2050 году по сравнению с уровнем 1990 года — это считается необходимым шагом для сдерживания глобального потепления ниже 2 °C в соответствии с прогнозами Межправительственной группы экспертов по изменению климата. В 2016 году было подписано Парижское соглашение об «удержании прироста глобальной средней температуры значительно ниже 2 °C сверх доиндустриальных уровней и продолжении усилий по ограничению роста температуры до 1,5 °C».
Чтобы достичь этих целей, выбросы энергетического сектора должны существенно сократиться — вплоть до нулевого уровня — к 2050 году. Это потребует широкомасштабного внедрения низкоуглеродных и безуглеродных технологий, таких как возобновляемые источники энергии (ВИЭ), ядерная энергетика, а также установки для улавливания и хранения углерода.
Было проведено несколько крупных исследований для оценки готовности отдельных стран и всего мира к полному переходу на ВИЭ. В ходе исследований анализировался технологический и экономический потенциал энергосистем для удовлетворения прогнозируемого спроса на электроэнергию. В данном случае объект исследований — 100% ВИЭ-энергосистема, то есть электроэнергетическая система, состоящая исключительно из возобновляемых источников электроэнергии, к которым ядерная энергетика, согласно общепринятой терминологии, не относится.
Однако наличие достаточной мощности ВИЭ не означает, что такая система осуществима, так как из-за прерывистой природы генерации электроэнергии из переменных возобновляемых источников энергии (пВИЭ), таких как ветровые и фотоэлектрические системы, поддержание баланса между спросом и предложением электроэнергии оказывается затруднительным. В 100% ВИЭ-энергосистемах любые остаточные потребности в электроэнергии, не обеспечиваемые пВИЭ, должны компенсироваться за счет эффективного хранилища или управляемых, т. е. выдающих энергию по требованию, возобновляемых источников энергии (уВИЭ) (геотермальная энергия, гидроэнергия, биоэлектричество и концентрированная солнечная тепловая энергия).
Вместе с тем в краткосрочной перспективе существуют технические ограничения, из-за которых такие станции не смогут нарастить скорость генерации электроэнергии достаточно быстро, чтобы сбалансировать спрос и предложение. При изучении долгосрочной перспективы следует учесть, что некоторые годы могут быть менее солнечными или ветреными, поэтому нельзя рассчитывать на то, что ветряные и фотоэлектрические установки будут вырабатывать одинаковое количество электроэнергии каждый год.
В своем исследовании научные сотрудники нидерландского Института устойчивого развития им. Н. Коперника при Утрехтском университете изучили осуществимость перехода Европы к энергосистеме со 100% ВИЭ к 2050 году, построив подробную модель энергосистемы с детальной проработкой особенностей различных источников энергии.
Чтобы достичь этих целей, выбросы энергетического сектора должны существенно сократиться — вплоть до нулевого уровня — к 2050 году. Это потребует широкомасштабного внедрения низкоуглеродных и безуглеродных технологий, таких как возобновляемые источники энергии (ВИЭ), ядерная энергетика, а также установки для улавливания и хранения углерода.
Было проведено несколько крупных исследований для оценки готовности отдельных стран и всего мира к полному переходу на ВИЭ. В ходе исследований анализировался технологический и экономический потенциал энергосистем для удовлетворения прогнозируемого спроса на электроэнергию. В данном случае объект исследований — 100% ВИЭ-энергосистема, то есть электроэнергетическая система, состоящая исключительно из возобновляемых источников электроэнергии, к которым ядерная энергетика, согласно общепринятой терминологии, не относится.
Однако наличие достаточной мощности ВИЭ не означает, что такая система осуществима, так как из-за прерывистой природы генерации электроэнергии из переменных возобновляемых источников энергии (пВИЭ), таких как ветровые и фотоэлектрические системы, поддержание баланса между спросом и предложением электроэнергии оказывается затруднительным. В 100% ВИЭ-энергосистемах любые остаточные потребности в электроэнергии, не обеспечиваемые пВИЭ, должны компенсироваться за счет эффективного хранилища или управляемых, т. е. выдающих энергию по требованию, возобновляемых источников энергии (уВИЭ) (геотермальная энергия, гидроэнергия, биоэлектричество и концентрированная солнечная тепловая энергия).
Вместе с тем в краткосрочной перспективе существуют технические ограничения, из-за которых такие станции не смогут нарастить скорость генерации электроэнергии достаточно быстро, чтобы сбалансировать спрос и предложение. При изучении долгосрочной перспективы следует учесть, что некоторые годы могут быть менее солнечными или ветреными, поэтому нельзя рассчитывать на то, что ветряные и фотоэлектрические установки будут вырабатывать одинаковое количество электроэнергии каждый год.
В своем исследовании научные сотрудники нидерландского Института устойчивого развития им. Н. Коперника при Утрехтском университете изучили осуществимость перехода Европы к энергосистеме со 100% ВИЭ к 2050 году, построив подробную модель энергосистемы с детальной проработкой особенностей различных источников энергии.
Семь плюс один
Перед работой с моделью в специализированном программном комплексе PLEXOS авторы статьи нарисовали восемь сценариев перехода на ВИЭ. В сценариях по-разному оценивался спрос на электроэнергию, рассматривались различные комбинации ВИЭ (к примеру, сценарий без уВИЭ), присутствовали или отсутствовали низкоуглеродные (но необязательно возобновляемые) технологии генерации электроэнергии. Семь сценариев учитывали только ВИЭ, восьмой допускал использование атомной энергетики.
Авторы статьи рассмотрели два возможных профиля спроса на электроэнергию: профиль из сценария Гринпис с общим спросом к 2050 году в объеме 6 020 ТВт в год и прогноз Европейской сети системных операторов передачи электроэнергии ENTSO-E с общим спросом в объеме 4 409 ТВт в год. Для сравнения, в 2017 году потребление электроэнергии в Европе составило 3 103 ТВт, в России — 978 ТВт. Общемировое потребление электроэнергии в 2017 году достигло 23 696 ТВт. Профиль определяет не только границы общего потребления, но и вид почасовой кривой спроса на электроэнергию.
Далее для каждого сценария было проведено моделирование и сформирован оптимизированный портфель источников энергии. На параметры полученных энергосистем влияли такие факторы, как энергоемкость, стоимость строительства, сложность передачи энергии, величина пиковых нагрузок, географическое распределение источников энергии и многие другие.
В сценариях со 100% ВИЭ-энергосистемой оптимальное распространение наземных ветряных станций менялось от 50% до 64% (в сценариях без геотермальных и других управляемых ВИЭ) от максимального потенциала (543 ГВт), а развертывание ветряных станций в прибрежной зоне из-за высокой стоимости в большинстве сценариев оставалось крайне скромным — около 17% от максимального потенциала в 754 ГВт. Тем не менее распространение прибрежных ветряных станций значительно увеличивается при исключении любого уВИЭ или повышении спроса на электроэнергию.
Солнечная энергетика чувствует себя уверенно при любом сценарии. Смоделированное развертывание солнечных электростанций варьируется от 65% для базового сценария (все ВИЭ-технологии, спрос на уровне 4 409 ТВт в год) до 85% от общего потенциала (895 ГВт) в условиях высокого спроса. Таким образом, фотоэлектрические технологии представляют наибольшую долю установленной мощности во всех сценариях, несмотря на то что они не вносят вклада в устойчивую мощность. Из-за высокой стоимости фотоэлектрических элементов их размещение на крышах в значительных количествах прогнозируется только в условиях высокого спроса или исключения ряда других источников.
Интересно, что во всех сценариях ключевая роль среди управляемых ВИЭ, ответственных за устойчивую генерацию электроэнергии и способных следовать спросу, отводится биомассе. По разным оценкам, на биомассу будет приходиться генерация от 160 до 230 ГВт. Геотермальные источники и станции концентрации солнечного света также используются во всех сценариях, хоть и в значительно меньшем объеме.
Перед работой с моделью в специализированном программном комплексе PLEXOS авторы статьи нарисовали восемь сценариев перехода на ВИЭ. В сценариях по-разному оценивался спрос на электроэнергию, рассматривались различные комбинации ВИЭ (к примеру, сценарий без уВИЭ), присутствовали или отсутствовали низкоуглеродные (но необязательно возобновляемые) технологии генерации электроэнергии. Семь сценариев учитывали только ВИЭ, восьмой допускал использование атомной энергетики.
Авторы статьи рассмотрели два возможных профиля спроса на электроэнергию: профиль из сценария Гринпис с общим спросом к 2050 году в объеме 6 020 ТВт в год и прогноз Европейской сети системных операторов передачи электроэнергии ENTSO-E с общим спросом в объеме 4 409 ТВт в год. Для сравнения, в 2017 году потребление электроэнергии в Европе составило 3 103 ТВт, в России — 978 ТВт. Общемировое потребление электроэнергии в 2017 году достигло 23 696 ТВт. Профиль определяет не только границы общего потребления, но и вид почасовой кривой спроса на электроэнергию.
Далее для каждого сценария было проведено моделирование и сформирован оптимизированный портфель источников энергии. На параметры полученных энергосистем влияли такие факторы, как энергоемкость, стоимость строительства, сложность передачи энергии, величина пиковых нагрузок, географическое распределение источников энергии и многие другие.
В сценариях со 100% ВИЭ-энергосистемой оптимальное распространение наземных ветряных станций менялось от 50% до 64% (в сценариях без геотермальных и других управляемых ВИЭ) от максимального потенциала (543 ГВт), а развертывание ветряных станций в прибрежной зоне из-за высокой стоимости в большинстве сценариев оставалось крайне скромным — около 17% от максимального потенциала в 754 ГВт. Тем не менее распространение прибрежных ветряных станций значительно увеличивается при исключении любого уВИЭ или повышении спроса на электроэнергию.
Солнечная энергетика чувствует себя уверенно при любом сценарии. Смоделированное развертывание солнечных электростанций варьируется от 65% для базового сценария (все ВИЭ-технологии, спрос на уровне 4 409 ТВт в год) до 85% от общего потенциала (895 ГВт) в условиях высокого спроса. Таким образом, фотоэлектрические технологии представляют наибольшую долю установленной мощности во всех сценариях, несмотря на то что они не вносят вклада в устойчивую мощность. Из-за высокой стоимости фотоэлектрических элементов их размещение на крышах в значительных количествах прогнозируется только в условиях высокого спроса или исключения ряда других источников.
Интересно, что во всех сценариях ключевая роль среди управляемых ВИЭ, ответственных за устойчивую генерацию электроэнергии и способных следовать спросу, отводится биомассе. По разным оценкам, на биомассу будет приходиться генерация от 160 до 230 ГВт. Геотермальные источники и станции концентрации солнечного света также используются во всех сценариях, хоть и в значительно меньшем объеме.
Развернуть и учесть нагрузку
На Рис. 1 показано, как оптимизированная генерирующая мощность из базового сценария может быть развернута по всей Европе. Ветровая мощность на суше в основном устанавливается в странах, граничащих с Северным и Балтийским морями — в полосе, простирающейся от Британских островов до стран Балтии. Эти места предпочтительны из-за благоприятных скоростей ветра и расположения в центре Европы, что сводит к минимуму потери при передаче. Прибрежные ветряные станции в основном устанавливаются в Северном море из-за более высоких скоростей ветра и центрального расположения.
Мощность фотоэлектрических систем распределена по территории большинства стран. Внутри стран высокая концентрация фотоэлектрических систем наблюдается либо в южных регионах, либо рядом с центром энергопотребления, чтобы снизить затраты на передачу электроэнергии. На Пиренейском полуострове установлено меньше полезных фотоэлектрических мощностей, чем можно было бы ожидать, так как бóльшая часть подходящей земельной площади для пВИЭ необходима для размещения установок концентрации солнечного света.
На Рис. 1 показано, как оптимизированная генерирующая мощность из базового сценария может быть развернута по всей Европе. Ветровая мощность на суше в основном устанавливается в странах, граничащих с Северным и Балтийским морями — в полосе, простирающейся от Британских островов до стран Балтии. Эти места предпочтительны из-за благоприятных скоростей ветра и расположения в центре Европы, что сводит к минимуму потери при передаче. Прибрежные ветряные станции в основном устанавливаются в Северном море из-за более высоких скоростей ветра и центрального расположения.
Мощность фотоэлектрических систем распределена по территории большинства стран. Внутри стран высокая концентрация фотоэлектрических систем наблюдается либо в южных регионах, либо рядом с центром энергопотребления, чтобы снизить затраты на передачу электроэнергии. На Пиренейском полуострове установлено меньше полезных фотоэлектрических мощностей, чем можно было бы ожидать, так как бóльшая часть подходящей земельной площади для пВИЭ необходима для размещения установок концентрации солнечного света.
Рис 1. Оптимизированная мощность генерации для каждого источника энергии в 2050 году для каждой страны в базовом сценарии
Как видно из пространственного распределения источников энергии, надежная энергосистема должна обладать важной характеристикой — эффективной передачей электроэнергии. Для обеспечения баланса между спросом и предложением крупномасштабное расширение передачи электроэнергии представляется более экономичным, чем ежедневное накопление энергии даже в условиях оптимистичного сценария сокращения затрат на ее хранение. Ключевое следствие создания взаимосвязанной энергосистемы — возрастание роли систем передачи электроэнергии: при более высокой зависимости стран от соседних источников энергии устойчивость подачи электроэнергии зависит не только от наличия линий электропередачи, но и от их надежности.
При моделировании энергосистемы, построенной полностью на ВИЭ, очень важно учесть пики потребления и генерации электроэнергии. Производство электроэнергии на солнечных и ветряных станциях колеблется ежечасно, ежедневно и сезонно. Солнечные станции летом в дневное время суток работают достаточно стабильно, а установки концентрации солнечного света помогают удовлетворить спрос на электроэнергию летними ночами, однако не могут обеспечить такой же уровень производства энергии зимой. Производство энергии на ветряных станциях менее надежно. Несмотря на то что средняя эффективность ветряных станций зимой выше, чем у фотоэлектрических источников, исследования показывают, что даже зимой часты периоды слабого ветра.
Биомасса играет совершенно разные роли летом и зимой. Летом электрогенерация, получаемая в результате использования биомассы, «страхует» ВИЭ-ресурсы и удовлетворяет вечерний пиковый спрос. Зимой энергия биомассы используется как для удовлетворения базовой нагрузки, так и во время дневных и ночных пиков потребления, в основном вызванных электромобилями.
При моделировании энергосистемы, построенной полностью на ВИЭ, очень важно учесть пики потребления и генерации электроэнергии. Производство электроэнергии на солнечных и ветряных станциях колеблется ежечасно, ежедневно и сезонно. Солнечные станции летом в дневное время суток работают достаточно стабильно, а установки концентрации солнечного света помогают удовлетворить спрос на электроэнергию летними ночами, однако не могут обеспечить такой же уровень производства энергии зимой. Производство энергии на ветряных станциях менее надежно. Несмотря на то что средняя эффективность ветряных станций зимой выше, чем у фотоэлектрических источников, исследования показывают, что даже зимой часты периоды слабого ветра.
Биомасса играет совершенно разные роли летом и зимой. Летом электрогенерация, получаемая в результате использования биомассы, «страхует» ВИЭ-ресурсы и удовлетворяет вечерний пиковый спрос. Зимой энергия биомассы используется как для удовлетворения базовой нагрузки, так и во время дневных и ночных пиков потребления, в основном вызванных электромобилями.
Рис. 2. Почасовая генерация электроэнергии для типичной летней недели из базового сценария, основанная на данных за 2010 год
Будущее без атома: можно, но сложно
Проведя экономический анализ, авторы статьи сделали ряд важных и любопытных выводов. Общая годовая стоимость системы в базовом сценарии (и большинстве остальных) для реализации 100% ВИЭ-энергосистемы составит примерно € 560 млрд в год. Сегодня Европа тратит на производство электроэнергии € 300−400 млрд в год.
Затраты увеличиваются (приблизительно в 1,4 раза) для сценария с высоким спросом на электроэнергию, поскольку увеличение спроса на 36% приводит к увеличению затрат на 50% по сравнению с базовым сценарием. Это связано с более высокой требуемой мощностью, использованием более дорогих источников биомассы, потребностью в более дорогостоящих источниках электроэнергии с пиковой нагрузкой, строительством прибрежных ветряных станций и необходимостью установки ВИЭ-станций на менее удобных участках.
Как показывают расчеты, энергосистема из 100% ВИЭ технологически реализуема, но ее стоимость будет выше не менее чем на 30% по сравнению с системой, включающей ядерную энергетику. По оценкам авторов, при включении атомной энергетики стоимость энергосистемы к 2050 году снизится до € 410 млрд в год.
Изучив семь сценариев со 100% ВИЭ-энергосистемами, авторы подтвердили возможность перехода Европы к 2050 году на чистую энергию. Тем не менее для достижения разумных экономических показателей и надежности системы нужно решить ряд вопросов. До 2050 года рекомендуются меры по повышению энергоэффективности, чтобы снизить спрос на биомассу, а также наращивание скоростей развертывания новых генерирующих и передающих мощностей. Необходимо поддерживать скорости развертывания ветровой энергетики не менее 7,5 ГВт в год, солнечных станций — не менее 15 ГВт в год до 2050 года (сегодня этот показатель — около 11 ГВт в год для каждого источника). Для обеспечения надежности энергосистемы следует наращивать количество твердой биомассы и внедрение биогазовых мощностей по меньшей мере на уровне 4 ГВт в год и 6 ГВт в год соответственно.
В заключение авторы статьи отмечают, что, даже когда мощность ветра и фотоэлектрической энергии будет пространственно оптимизирована и электроэнергия сможет передаваться в рамках взаимосвязанной линиями передачи европейской энергосистемы, такая 100% ВИЭ-система все равно будет требовать значительной устойчивости и гибкости, чтобы сбалансировать переменную выработку ветра и фотоэлектрической энергии — покрыть спрос, когда ветер и солнечная энергия невелики.
Требуемые мощности могут быть обеспечены за счет гидроэнергетики, конденсации солнечного света, геотермальной энергии и использования биомассы. Однако ни одна из этих технологий сегодня не используется на уровне, необходимом для поддержания системы ВИЭ к 2050 году.
Таким образом, придерживаясь курса перехода на надежную и экономически эффективную энергосистему, соответствующую европейским климатическим амбициям, правительства стран должны обеспечить доступность всех технологических вариантов, включая биомассу, улавливание и хранение углерода и ядерную энергию.
Проведя экономический анализ, авторы статьи сделали ряд важных и любопытных выводов. Общая годовая стоимость системы в базовом сценарии (и большинстве остальных) для реализации 100% ВИЭ-энергосистемы составит примерно € 560 млрд в год. Сегодня Европа тратит на производство электроэнергии € 300−400 млрд в год.
Затраты увеличиваются (приблизительно в 1,4 раза) для сценария с высоким спросом на электроэнергию, поскольку увеличение спроса на 36% приводит к увеличению затрат на 50% по сравнению с базовым сценарием. Это связано с более высокой требуемой мощностью, использованием более дорогих источников биомассы, потребностью в более дорогостоящих источниках электроэнергии с пиковой нагрузкой, строительством прибрежных ветряных станций и необходимостью установки ВИЭ-станций на менее удобных участках.
Как показывают расчеты, энергосистема из 100% ВИЭ технологически реализуема, но ее стоимость будет выше не менее чем на 30% по сравнению с системой, включающей ядерную энергетику. По оценкам авторов, при включении атомной энергетики стоимость энергосистемы к 2050 году снизится до € 410 млрд в год.
Изучив семь сценариев со 100% ВИЭ-энергосистемами, авторы подтвердили возможность перехода Европы к 2050 году на чистую энергию. Тем не менее для достижения разумных экономических показателей и надежности системы нужно решить ряд вопросов. До 2050 года рекомендуются меры по повышению энергоэффективности, чтобы снизить спрос на биомассу, а также наращивание скоростей развертывания новых генерирующих и передающих мощностей. Необходимо поддерживать скорости развертывания ветровой энергетики не менее 7,5 ГВт в год, солнечных станций — не менее 15 ГВт в год до 2050 года (сегодня этот показатель — около 11 ГВт в год для каждого источника). Для обеспечения надежности энергосистемы следует наращивать количество твердой биомассы и внедрение биогазовых мощностей по меньшей мере на уровне 4 ГВт в год и 6 ГВт в год соответственно.
В заключение авторы статьи отмечают, что, даже когда мощность ветра и фотоэлектрической энергии будет пространственно оптимизирована и электроэнергия сможет передаваться в рамках взаимосвязанной линиями передачи европейской энергосистемы, такая 100% ВИЭ-система все равно будет требовать значительной устойчивости и гибкости, чтобы сбалансировать переменную выработку ветра и фотоэлектрической энергии — покрыть спрос, когда ветер и солнечная энергия невелики.
Требуемые мощности могут быть обеспечены за счет гидроэнергетики, конденсации солнечного света, геотермальной энергии и использования биомассы. Однако ни одна из этих технологий сегодня не используется на уровне, необходимом для поддержания системы ВИЭ к 2050 году.
Таким образом, придерживаясь курса перехода на надежную и экономически эффективную энергосистему, соответствующую европейским климатическим амбициям, правительства стран должны обеспечить доступность всех технологических вариантов, включая биомассу, улавливание и хранение углерода и ядерную энергию.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #8_2019