Spydell: Мировые тенденции ветро- и солнечной электрогенерации

Объемы и структура ветроэнергетики в мире

По ветрогенерации особенности:

•  Теоретический максимум КПД ветряка составляет 59.3%. Современные турбины достигли КПД в 45–50%, что очень близко к физическому пределу. Дальше расти некуда.

•  При скорости ветра 12 км/ч турбина начинает вращаться, при скорости ветра 40-45 км/ч турбина выходит на номинал своей мощности, при скорости 90 км/ч турбина принудительно останавливается и поворачивает лопасти по ветру (флюгирование), чтобы ее не разорвало центробежной силой.

•  Бывают наземные (Onshore) и морские (Offshore) ветряки, которые в 2-3 раза мощнее и в 1.5-2 раза эффективнее наземные, но значительно дороже. Строительство наземных турбин затруднено логистикой из-за доставки компонентов ветряков (лопастей) – это сложнейшая спецоперация, особенно в Европе. 

•  Длина лопасти важнее мощности генератора. Удвоение длины лопасти увеличивает площадь захвата ветра (и выработку) в 4 раза. В 2010 типовая турбина – 2 МВт, диаметр ротора 80 м, лопасти 40 м при высоте 120 м. Сейчас оффшорная турбина – 15–18 МВт, диаметр ротора 260 м, лопасти в 120 м, полная высота до 300 м!

•  Чем выше высота турбины – тем сильнее и стабильнее ветер.

•  Мощность зависит от скорости ветра в третьей степени. Если скорость ветра удваивается (с 5 м/с до 10 м/с), выработка энергии вырастает в 8 раз. Небольшое снижение средней скорости ветра в регионе (например, на 10%) приводит к падению выработки на ~27%.

•  Сейчас полная себестоимость генерации энергии от ветряков самая низкая в Европе – в среднем от 0.034 до 0.08 доллара за 1 КВт/ч, это в разы дешевле, чем газовые ТЭС в Европе и примерно сопоставимо с российской себестоимостью на ТЭС. Себестоимости генерации электроэнергии из ветряков самая низкая среди всех источников генерации. 

•  Капитальные расходы на возведение ветряков на суше около 1 тыс баксов за 1 КВт мощности и около 3 тыс на море и это в разы дешевле, чем традиционные источники генерации в Европе. Цены упали вдвое за 15 лет из-за оптимизации производства, а физическая эффективность выросла на 15-30%.

Самые важные в мире страны по объему выработки энергии из ветро-генерации (на них приходится стабильно 81-82% от мировой генерации):

•  Китай – 997 ТВт·ч
•  США – 458 ТВт·ч
•  Германия – 139 ТВт·ч
•  Бразилия – 108.5 ТВт·ч
•  Великобритания – 84.1 ТВт·ч
•  Индия – 81.5 ТВт·ч
•  Испания – 62.6 ТВт·ч
•  Франция – 47.1 ТВт·ч
•  Канада – 46.8 ТВт·ч
•  Швеция – 40.5 ТВт·ч.

В Китае темпы внедрения ветро-генерации невероятные. В 2007 совокупная выработка энергии от ветра была всего 5.5, в 2010 уже 49.1, в 2015 достигли 185.5, в 2020 – 446 ТВт·ч, а к 2024 удвоились относительно 2020 – это феноменально. 

Для сравнения, с 2015 года в Европе в среднем чистый прирост генерации составляет по 36 ТВт·ч в год и 28 ТВт·ч за последние 4 года, а в Китае темпы почти в 5 раз больше, чем во всей Европе.

За последние 4 года общемировой прирост генерации от ветра составил 915 ТВт·ч, где Китай забрал на себя 530 ТВт·ч, т.е. почти 60% мирового прироста за Китаем. 

Помимо Китая очень высокие (в национальном измерении) темпы внедрения ветряков в Бразилии – рост почти в 9 раз объема генерации за 10 лет, в Канаде и Швеции рост в 3.6 раза, а в США, Германии, Великобритании и Индии рост в 2.4-2.6 раза за 10 лет.

Какие страны потенциально через 5-10 лет могут войти в топ по объему прироста генерации? Австралия, Вьетнам и Тайвань в Азии, Аргентина, Польша и Турция. 

Какие страны имеют самую высокую доля ветряной генерации в структуре совокупной генерации электроэнергии в стране?

•  Дания – 57.8% всей генерации от ветра
•  Литва – 45%
•  Ирландия – 36.8%
•  Великобритания – 29.5%
•  Португалия – 28.6%
•  Германия – 27.9%
•  Нидерланды – 27.1%
•  Финляндия – 24.8%
•  Швеция – 23.5%
•  Испания – 21.9%.

В целом по Европе доля ветро-генерации составляет рекордные 16.2% (628 ТВт·ч), по Южной и Центральной Америке – 10% (150.3 ТВт·ч), в Северной Америке – 9.3% (525 ТВт·ч, где в США доля достигла рекордных 9.9%), в Азии – 7.21% (1163 ТВт·ч), где почти все у Китая.

Африка, Ближний Восток, Россия и страны СНГ – 1.09%.

Мировые объемы и структура солнечной генерации

Что такое солнечная генерация?

• Главное ограничение – физическая невозможность работать ночью. Средний КИУМ (Capacity Factor) у солнца самый низкий среди всех видов генерации – всего 15–20%. Чтобы заместить 1 ГВт атомной энергии, нужно построить 5-6 ГВт солнечных мощностей.

• Для самого массового типа панелей (кремниевых) теоретический предел КПД составляет ~33-34%. Современные коммерческие панели достигли КПД в 20–24%.

• В отличие от ветра, здесь нет «кубического роста» – зависимость выработки от света линейная, но есть парадокс: при сильном нагреве (в жару) эффективность панелей падает (температурный коэффициент). При прочих равных удвоение солнечной энергии даёт близкое к удвоению увеличение мощности; рост температуры снижает эффективность.

• Свыше 99% всей солнечной генерации – это Solar PV (Фотовольтаика), а остальное CSP (Концентрированная): система зеркал, концентрирующих свет в одной точке, нагревающих башню с солью/маслом.

• Значительно проще масштабирование. В отличие от ветряков с их гигантскими лопастями, солнечные панели стандартны, перевозятся в обычных контейнерах и не требуют сложной спецтехники.

• В солнечной генерации всегда одновременно устанавливаются балансирующие мощности и аккумуляторы для сглаживания крайне неравномерной и непредсказуемой генерации.

• Стоимость капитальных расходов упала радикально – почти в 8-9 раз с 2010 по 2024-2025 года (от 5300-6000 баксов за 1 КВт мощности до 700 баксов сейчас), а себестоимость генерации упала в 10 раз с 0.42 центов за 1 КВт/ч до 0.043.

Китай дешевле, ЕС/США дороже. В 2024: Китай 0.033 USD/kWh, ЕС примерно 0.06-0.08, США около 0.050-0.070 USD/kWh.

• Плотность генерации энергии низкая – 6-20 Вт/м2, тогда как у ветряков 1-5 Вт/м2, что на порядки меньше традиционной генерации. Сама башня занимает ничтожную площадь (фундамент), но ветряки должны стоять далеко друг от друга (5-7 диаметров ротора), чтобы не забирать ветер у соседей. Если считать всю площадь ветропарка, плотность экстремально низкая. Если считать только фундамент — она высокая,

Сейчас 80% мировой генерации от солнечной энергии у ТОП-10:

•  Китай – 839 ТВт·ч
•  США – 306.2 ТВт·ч
•  Индия – 137 ТВт·ч
•  Япония – 97 ТВт·ч
•  Германия – 74 ТВт·ч
•  Бразилия – 71.3 ТВт·ч
•  Испания – 56.5 ТВт·ч
•  Австралия – 50.2 ТВт·ч
•  Италия – 36.2 ТВт·ч
•  Корея – 32.7 ТВт·ч

В Китае невероятный, взрывной рост. Еще в 2010 году Китай не имел ничего – менее 1 ТВт·ч генерации, в 2015 нарастил до 40 ТВт·ч, в 2020 – 261 ТВт·ч, а сейчас наращивает по 250 ТВт·ч в год!

Практически все страны начали внедрение солнечной генерации с 2010 года, за исключением США, Японии, Германии и Испании, которые имели тогда свыше 3 ТВт·ч, а в сумме – 26 ТВт·ч.

Следить нужно еще за Вьетнамом, Тайванем, Чили, Мексикой, Турцией и Нидерландами, где высокие темпы роста солнечной генерации, но еще не попали в ТОП-10.

В каких странах наибольшая доля солнца в общей генерации в 2024 году?

•  Венгрия – 24%
•  Чили – 22.7%
•  Испания – 19.8%
•  Кипр – 18.8%
•  Греция – 18.3%
•  Австралия – 17.8%
•  Литва – 17.7%
•  Нидерланды – 17.6%
•  Германия – 14.9%
•  Португалия и Болгария – 14.1%.

По регионам: в Азии уже 7.6% от всей генерации за солнечной энергией, в Европе – 9.32%, в Южной и Центральной Америке – 7.25%, а в Северной Америке – 6.07%. Самая низкая доля – в России и странах СНГ, где в совокупности менее 0.7%.

Чтобы ощутить масштаб: мировая генерация в 2004 была всего 3 ТВт·ч, в 2010 выросла до 33.9 ТВт·ч, в 2015 – 256 ТВт·ч, в 2020 – 857 ТВт·ч, а в 2024 – 2112 ТВт·ч, причем в 2024 чистый прирост по миру составил 461 ТВт·ч – это столько, сколько было создано за всю историю до 2017 включительно. С 2021 года генерация удвоилась всего за три года.

Солнечная генерация является доминирующим источником прироста генерации в ВИЭ главным образом за счет универсальности и масштабируемости – гораздо меньше технических требований по сравнению с ветряками. 

Уже в этом году солнечная генерация может обогнать все мировые АЭС.