Kris De Decker: Как [не] может функционировать современное общество на солнечной энергии и энергии ветра

Автор:  Kris De Decker (edited by Jenna Collett), перевод: Станислав Безгин.

Оригинал статьи : How (Not) to Run a Modern Society on Solar and Wind Power Alone

/*прим. перевод. Статья очень интересная, и я готов согласится почти с каждым предложением, кроме последних абзацев. В конце статьи я добавил свои возражения, добавления и комментарии.

Хотя потенциал энергии ветра и солнечной энергии более чем достаточен для обеспечения потребностей в электроэнергии современного индустриального общества, эти ресурсы доступны только время от времени. Для обеспечения того, чтобы производство энергии всегда соответствовало бы потреблению, возобновляемая электросетевая система нуждается в превышении установленной мощности и пропускной способности, в десять раз превышающей максимальный спрос. Также требуется  резервные балансирующие мощностей электростанций на ископаемом топливе или их эквивалента в системах хранения энергии.

Следовательно, бесперебойное, постоянное соответствие объемов производства и потребления энергии, делает производство возобновляемой энергии сложным, неэффективным, дорогостоящим и неустойчивым. Тем не менее, если бы мы могли регулировать спрос на энергию в соответствии с прерывистым характером производства солнечной энергии и энергии ветра, возобновляемая энергосистема могла бы быть намного более выгодной. Использование энергии ветра и солнечной энергии только тогда, когда они доступны, являлось ранее традиционной концепцией, которую современные технологии могут значительно улучшить.

100% возобновляемая энергия

Широко распространено мнение, что в будущем производство возобновляемой энергии позволит человечеству стать независимыми от ископаемых видов топлива, причем наибольший потенциал имеет энергия ветра и солнечной энергии. Несомненным фактом является то, что имеется достаточно энергии ветра и солнечной энергии для многократного удовлетворения энергетических потребностей современной цивилизации.

Например, в Европе практический потенциал ветровой энергии для производства электроэнергии в море и на суше оценивается как минимум 30 000 ТВт в год или в десять раз больше годового потребления электроэнергии. [1] В США технический потенциал солнечной энергии оценивается в 400 000 ТВт-ч, что в 100 раз превышает годовое потребление электроэнергии. [2]

Такие заявления, хотя теоретически правильные, но практически бессмыслены. Это связано с тем, что они основаны на ежегодных средних показателях производства возобновляемой энергии и не учитывают прерывистость, то есть сильно изменяющийся и неопределенный характер ветровой и солнечной энергии.

Производство и потребление электроэнергии должно совпадать в любой момент времени, чего относительно легко достичь с помощью электростанций, которые можно включать и выключать по желанию. Однако выработка ветровых турбин и солнечных панелей полностью зависит от прихотей погоды.

Поэтому, чтобы выяснить, может ли и как может функционировать современное общество только на солнечной и ветровой энергии, нам нужно сравнить синхронизированный по времени спрос на электроэнергию с синхронизированной по времени солнечной или ветровой генерацией. [3] [4] [5] При этом становиться ясно, что потребление плохо коррелирует с производством.

Выше: визуализация 30-дневных данных с наложением графика потребления (красный), графика генерации энергии ветра (синий) и данных солнечной генерации (желтый). Средние значения отображаются в выделенных цветом черных линиях. Данные, полученные от Администрации энергетики Бонневилля, апрель 2010 г. Источник: [21]

Прерывистость солнечной энергии

Солнечная энергия характеризуется как предсказуемыми, так и непредсказуемыми вариациями. Существует предсказуемая суточная и сезонная картина, где пиковый выход происходит в середине дня и летом, в зависимости от видимого движения солнца в небе. [6] [7]

Когда солнце ниже в небе, его лучи должны проходить через большую воздушную массу, что снижает их силу, потому что они поглощаются частицами в атмосфере. Также, лучи солнца распределяясь по большей горизонтальной поверхности, уменьшают передачу энергии на единицу горизонтальной поверхности.

Когда солнце находится на 60 ° выше горизонта, эффективность генерации по-прежнему составляет 87% от максимума. Однако при меньших углах эффективность быстро уменьшается. При солнечном угле 15 ° излучение, ударяющееся по горизонтальной поверхности, составляет всего 25% от его максимума.

В сезонных масштабах угол вертикали Солнца также коррелирует с количеством дневных часов, что уменьшает количество солнечной энергии, получаемой в течение дня в разное время года, когда солнце уже ниже в небе. И последнее, но не менее важное: солнечной энергии нет ночью.

 Карта облаков

Изображение: Средний облачный покров 2002 - 2015 гг. Источник: НАСА.

Точно так же присутствие облаков добавляет непредсказуемые изменения в генерацию солнечной энергии. Облака рассеивают и поглощают солнечную радиацию, уменьшая количество энергии, которая достигает земли. Генерация солнечной энергии составляет примерно 80% от его максимального значения при легкой облачности, и 15% от максимума в сильно пасмурный день. [8] [9] [10]

Из-за отсутствия тепловой или механической инерции в солнечных фотоэлектрических (PV) системах, изменения, вызванные облаками, могут быть значительными. Например, при изменении облачного покрова, в генерации мегаваттных фотоэлектрических электростанций на юго-западе США были изменения примерно на 50% в 30-90 секундных периодах и около 70% в период от 5 до 10 минут. [6]

Сочетание этих предсказуемых и непредсказуемых колебаний в солнечной генерации дает понять, что производительность солнечной электростанции может сильно различаться в течение всего времени. В Фениксе, Аризона, самое солнечное место в Америке, солнечная панель производит в среднем в 2,7 раза меньше энергии в декабре, чем в июне. Сравнивая солнечный день в полдень в июне с пасмурным днем ​​в 10 утра в декабре, разница в солнечной энергии почти в двадцать раз. [11]

В Лондоне, Великобритании, который является умеренно подходящим местом для солнечной энергетики, солнечная панель производит в среднем в 10 раз меньше энергии в декабре, чем в июне. Сравнивая солнечный день в июне в полдень с пасмурным днем ​​в декабре в 10 часов утра, производство энергии отличается в 65 раз. [8] [9]

Прерывистость энергии ветра

По сравнению с солнечной энергией изменчивость ветра еще более велика. С одной стороны, энергия ветра может использоваться как днем, так и ночью, а с другой стороны, она менее предсказуема и менее надежна, чем солнечная энергия. В дневное время всегда имеется минимальное количество солнечной энергии, но это не относится к ветру, который может отсутствовать или быть слишком слабым в течение нескольких дней или даже недель. Также может быть и слишком много ветра, и ветровые турбины должны быть остановлены, чтобы избежать повреждений.

В среднем в течение года и в зависимости от местоположения, современные ветровые электростанции производят 10-45% от номинальной максимальной мощности, что примерно вдвое превышает годовой коэффициент использования установленной мощности средней солнечной станции (5-30%). [6] [12] [13] [14] На практике, однако, ветровые турбины могут работать от 0 до 100% от их максимальной мощности в любой момент.

Почасовая ветровая генерация за 29 дней в апреле 2005 года на ветроэлектростанции в Калифорнии

Приведенная выше диаграмма показывает ежедневную и почасовую ветрогенерацию за 29 дней на электростанции  в Калифорнии. В любой конкретный час дня и в любой день месяца производство энергии ветра может варьироваться от нуля до 600 мегаватт, что является максимальной производительностью данной ветровой электростанции. [6]

Даже относительно небольшие изменения скорости ветра оказывают большое влияние на генерацию энергии: если скорость ветра уменьшается наполовину, производство электроэнергии уменьшается в восемь раз. [15] Ресурсы ветра также меняются на протяжении лет. В Германии, Нидерландах и Дании наблюдается межгодовая изменчивость скорости ветра до 30%. [1] Годовые различия в солнечной энергии также могут быть значительными. [16] [17]

Как сбалансировать производство и потребление?

В некоторой степени энергия ветра и солнца может компенсировать друг друга. Например, ветер обычно вдвое сильнее в зимние месяцы, когда меньше солнца. [18] Однако, это снова относится к средним значениям. В любой конкретный день года ветер и солнечная энергия могут быть слабыми или отсутствовать одновременно, оставляя нас практически без электричества.

Потребность в электроэнергии также меняется в течение дня и времен года, но эти изменения более предсказуемы и гораздо менее экстремальны. Пик потребления происходит утром и вечером, и находится на самом низком уровне в течение ночи. Однако даже ночью потребление электроэнергии по-прежнему близко к 60% от максимальной.

Следовательно, если мощность возобновляемой энергии рассчитывается на основе среднегодовых показателей производства солнечной и ветровой энергии и в соответствии со средним спросом на электроэнергию, то в большинстве случаев будет большой дефицит электроэнергии. Чтобы электроснабжение всегда соответствовало потребностям в электроэнергии, необходимо принять дополнительные меры.

Во-первых, мы могли бы рассчитывать на резервную инфраструктуру регулируемых (традиционных) электростанций на ископаемом топливе для обеспечения электроэнергией, когда нет достаточной возобновляемой энергии. Во-вторых, мы могли бы увеличить установленную мощность возобновляемых источников энергии, определив, требуемый объем, по наихудшему сценарию. В-третьих, мы могли бы подключить географически распределенные источники возобновляемой энергии, чтобы сгладить колебания в производстве электроэнергии. В-четвертых, мы можем хранить избыточное электричество для использования в те времена, когда солнечная и / или ветровая генерация является низкой или отсутствует.

Как мы увидим, все эти стратегии самоуничтожающиеся (self-defeating), если применяются в достаточно больших масштабах, даже если они используются комбинированно. Если энергия, используемая для строительства и поддержания дополнительной инфраструктуры, учитывается при анализе полного жизненного цикла возобновляемой энергосистемы, то окажется, что в целом возобновляемая энергосистема столь же вредна для экологии, как и нынешняя энергосистема.

Стратегия 1: Резервные традиционные электростанции

До сих пор, относительно небольшая доля возобновляемых источников энергии, добавленных в сеть, обычно балансируется традиционным генерирующими станциями в основном гибкими, быстро запускаемыми газовыми электростанциями. Хотя этот подход полностью «решает» проблему прерывистости, это приводит к парадоксу, поскольку весь смысл перехода на возобновляемые источники энергии, был в обеспечении независимости от ископаемого топлива, включая газ. [19]

Большинство научных исследований сосредоточено на Европе, которая имеет самые амбициозные планы по возобновляемым источникам энергии. Для энергосистемы, основанной на 100% солнечной и ветровой энергии, без хранения энергии и предполагая взаимосвязь только на национальном европейском уровне, балансирующая мощность электростанций на ископаемом топливе должна быть такой же большой, как пик спроса на электроэнергию. [12] Другими словами, будет столько же невозобновляемых электростанций, сколько существует сегодня. (прим. перевод. : Первый ключевой момент статьи. Это приводит нас к тому, что при добавлении альтернативной станции в систему, общие расходы системы возрастают на весь объем инвестиций и расходов альтернативной энергетики, а снижаются только на незначительный объем экономии газа ).

 Все электростанция в США. Визуализация The Washington Post.

Такая гибридная инфраструктура снизит использование углеродного топлива для производства электроэнергии, поскольку возобновляемая энергия может заменить его, когда имеется достаточное количество солнца или ветра. Однако нужно вкладывать много энергии и материалов в создание и поддержание удвоенной, в сущности, инфраструктуры. Энергия, которая экономится на топливе, расходуется на производство, установку и подключение миллионов солнечных батарей и ветровых турбин. (прим. перевод.: Второй ключевой момент статьи. Включение альтернативной энергетики в общую систему, приводит к увеличению расхода ресурсов и энергии общества, в объемах, превышающих, объем сэкономленного топлива. Тем самым в целях борьбы с исчерпанием ископаемых ресурсов планеты, данная стратегия является контрпродуктивной. )

Хотя балансирование возобновляемых источников энергии с традиционной энергетикой, широко рассматривается как временное решение, которое не подходит для систем со значительной долей возобновляемой генерации, большинство других технологических стратегий (описанных ниже) могут лишь частично уменьшить необходимость в балансировании мощностей. (прим. перевод.: Третий ключевой момент статьи. Не существует альтернативы, которая позволит отказаться от дублирования возобновляемой энергетики, равными объемами (простаивающих) мощностей традиционной энергетики.)

Стратегия 2: Перепроизводство возобновляемой энергии

Другой способ избежать нехватки энергии - установить больше солнечных батарей и ветряных турбин. Если максимальная мощность солнечной энергии определена для удовлетворения спроса даже в самые короткие и темные зимние дни, а мощность ветровой генерации установлена с учетом самых низких скоростей ветра, риск нехватки электроэнергии может быть значительно снижен. Однако очевидным недостатком такого подхода является избыток возобновляемой энергии в течение большей части года.

В периоды избыточного производства, генерация солнечных батарей и ветровых турбин частично сокращается, чтобы избежать перегрузки сети. Но это, в свою очередь, сокращает эффективность работы альтернативной энергетики. Уменьшается объем электричества, которое производит солнечная панель или ветровая турбина в течение всего срока службы, в то время как энергия, необходимая для производства, установки, подключения и обслуживания, остается неизменной. Следовательно, коэффициенты использования мощности и «энергия, получаемая на энергию, вложенную» (EROEI), ветровых турбин и солнечных батарей, уменьшаются. [20]

Темпы сокращения эффективности, увеличиваются по мере увеличения доли возобновляемой энергии в общем объеме производства энергии, поскольку необходимость в перепроизводстве энергии экспоненциально зависит от доли возобновляемых источников энергии. Ученые подсчитали, что европейская сеть, состоящая из 60% солнечной и ветровой энергии, потребует генерирующей мощности, которая вдвое превышает максимальную нагрузку, что приводит к потерям 300 ТВт-ч избыточной электроэнергии каждый год (примерно 10% от текущего годового потребления электроэнергии в Европе).

В случае сетки с 80% возобновляемыми источниками энергии, генерирующая мощность должна быть в шесть раз больше максимальной нагрузки, при этом потери избыточного электричества будут равны 60% текущего годового потребления электроэнергии ЕС. Наконец, в сети со 100% возобновляемой энергией, генерирующая мощность должна быть в десять раз больше максимальной нагрузки, а теряемая избыточная электроэнергия превысит годовое потребление электроэнергии в ЕС. [21] [22] [23]

Это означает, что необходимо производить до десяти раз больше солнечных батарей и ветряных турбин. Излишние затраты энергии, необходимые для создания этой инфраструктуры, приводят к невозможности перехода на возобновляемые источники энергии, поскольку время окупаемости энергии солнечных батарей и ветровых турбин увеличится в шесть-десять раз. (прим. перевод.:Четвертый ключевой момент. Опять же, попытка спасти экологию, приводит к нанесению ей гораздо большего вреда за счет излишнего и бессмысленного многократного перерасхода ресурсов. )

Для солнечных панелей окупаемость произойдет только через 12-24 года в энергосистеме с 80% возобновляемыми источниками энергии и через 20-40 лет в энергосистеме со 100% возобновляемыми источниками энергии. Поскольку ожидаемая продолжительность жизни солнечной панели составляет примерно 30 лет, солнечная панель никогда не сможет произвести энергию, необходимую для ееизготовления. Ветровые турбины способны произвести энергии больше, чем потрачено на изготовление, поскольку они имеют более короткие сроки окупаемости, но их преимущество по сравнению с ископаемыми видами топлива будет уменьшаться. [24]

Стратегия 3: Суперсеть

Прерывистость солнечной и ветровой энергии также может быть уменьшена путем объединения возобновляемых электростанций в более широком географическом регионе. Например, при перепроизводстве энергии в регионе где сегодня дует ветер, энергия может передаваться в регионы, испытывающие текущий недостаток в энергии [19]

Объединение в сеть, также позволяет сочетать технологии, которые используют различные переменные энергетические ресурсы, такие как ветровая, солнечная, волновая и приливная энергия. [3] Кроме того, объединение электрических сетей в больших географических районах позволяет более широко использовать резервные электростанции на ископаемом топливе.

Карта ветров Европы, 2 сентября 2017 года, 23 ч. 48 м. Источник: Windy

Хотя сегодняшние энергетические системы в Европе и США простираются на достаточно большой площади, эти сети недостаточно сильны, чтобы обеспечить объединение возобновляемых источников энергии. Это может быть решено с помощью создания новой мощной магистральной сети передачи постоянного тока высокого напряжения. Такие «суперсети» составляют основу многих амбициозных планов по производству 100% возобновляемой энергии, особенно в Европе. [25] Проблема с этой стратегией заключается в том, что пропускная способность сетей должна быть построена с превышением потребности в очень больших объемах. [19]

Для европейской сети с долей возобновляемой энергии в 60% (при оптимальном сочетании ветра и солнца) необходимо увеличить пропускную способность сети, по крайней мере, в семь раз. Если отдельные европейские страны будут игнорировать национальные проблемы безопасности поставок, а резервные балансирующие мощности будет оптимально распределены по всему континенту, необходимые расширения пропускной способности сети могут быть ограничены примерно тройной существующей европейской высоковольтной сетью. Для европейской энергосистемы с долей 100% возобновляемых источников энергии пропускная способность сети должна быть в двенадцать раз больше, чем сегодня. [21] [26] [27]

Есть три основные проблемы в стратегии с расширением магистральных сетей.

Во-первых, строительство инфраструктуры, такой как передающие башни и их фундаменты, линии электропередачи, подстанции и т. д., требует значительного количества энергии и других ресурсов. Это необходимо учитывать при анализе полного жизненного цикла возобновляемой электросети. Как и при увеличении производства возобновляемой энергии, большая часть излишней инфраструктуры передачи не будет использоваться в течение большей части времени, существенно снижая коэффициент использования пропускной способности. (прим. перевод. Пятый ключевой момент. Очередное создание системы, позволяющей решать проблемы, приводит к колоссальному нерациональному расходованию ресурсов, и, следовательно также контрпродуктивно в борьбе за экологию.)

Во-вторых, магистральная суперсеть имеет потери при передаче, а это означает, что для компенсации этой потери потребуется установить еще больше ветровых турбин и солнечных батарей.

 В-третьих, согласование и строительство новых линий электропередачи может занять до десяти лет. [20] [25] Это непросто бюрократические хлопоты: магистральные линии электропередачи оказывают большое влияние на окружающую территорию и часто сталкиваются с местной оппозицией, что делает их одним из основных препятствий для роста производства возобновляемой энергии.

Даже при создании новой магистральной сети, остается возможность полного отсутствия возобновляемой энергии в регионе по площади, столь же большом, как Европа. При доле 100% возобновляемых источников энергии и в 12 раз большей текущей пропускной способности сети, балансирующая способность электростанций на ископаемом топливе может быть уменьшена только до 15% от общего годового потребления электроэнергии. [28]

Даже в Великобритании, которая имеет одни из лучших в мире условий для возобновляемой генерации, обеспечение объединения различных типов генерации (ветро, солнце, волны и приливы) все равно приведет к нехватке электроэнергии в 18% случаев (примерно 65 дней в году). [29] [30] [31]

Стратегия 4: хранение энергии

Последняя стратегия балансировки производства и потребления энергии, заключается в том, чтобы сохранять избыток электроэнергии для использования, когда нет достаточного количества возобновляемой энергии. Энергоаккумуляторы позволяют избежать потерь избыточной энергии и сокращения генерации, и это единственная стратегия, которая может сделать балансирование традиционной энергетикой ненужной, по крайней мере, теоретически. На практике хранение возобновляемой энергии сталкивается с несколькими проблемами.

Прежде всего, хотя нет необходимости создавать и поддерживать резервную инфраструктуру электростанций на ископаемом топливе, это преимущество уничтожается необходимостью создания и поддержания инфраструктуры хранения энергии.

Во-вторых, все технологии хранения имеют потери на зарядку и разрядку, что приводит к необходимости добавления дополнительных солнечных панелей и ветровых турбин для компенсации этих потерь.

Энергоаккумулирование также предполагает создание избыточных установленных мощностей возобновляемой энергии, иначе никогда не будет избытка электричества, которое может быть сохранено для последующего использования.

Карта ветров США.

Энергия, необходимая для создания и поддержания инфраструктуры хранения и дополнительных возобновляемых электростанций, должна учитываться при проведении анализа полного жизненного цикла возобновляемой электрической сети. Фактически, исследования показали, что потеря избыточной энергии, за счет сокращения объема выработки ветровых турбин, может быть более энергоэффективным, чем ее хранение, поскольку энергия, необходимая для производства систем аккумулирования и их эксплуатации (которая включает потери заряда-разряда), превосходит энергию, которая теряется из-за избыточности. [23]

Было подсчитано, что для европейской энергосистемы со 100% возобновляемыми электростанциями (мощностью ветровой энергии 670 ГВт и мощностью солнечной энергии 810 ГВт) и без балансировки традиционной энергетикой, мощность хранения энергии должна быть в 1,5 раза больше средней среднемесячной нагрузки и равна 400 ТВт-ч, не считая потерь заряда и разряда. [32] [33] [34]

Чтобы дать представление о том, что это означает: самая оптимистичная оценка общего потенциала Европы по использованию  гидроэнергетических аккумуляторов, составляет 80 ТВтч [35], в то время как замена всех 250 миллионов легковых автомобилей в Европе на электроприводы с 30 кВт-ч батареей приведет к возможности общего хранения энергии 7,5 ТВт-ч. Другими словами, если мы рассчитываем на электромобили для хранения излишка возобновляемой электроэнергии, их батареи должны быть в 60 раз больше, чем сегодня (и это не учитывая тот факт, что электромобили сами значительно увеличат потребление энергии).

Принимая во внимание эффективность цикла зарядки / разрядки в 85%, для производства 460 ТВт-ч литий-ионных батарей потребуется 644 млн. Тераджоулей первичной энергии, что в 15 раз превышает годовое потребление первичной энергии в Европе. [36] (прим. Перевод.: Шестой ключевой момент. Ну вы поняли, что я здесь могу сказать о причинении зелеными «экологами» добра нашей планете.) Эти инвестиции в системы хранения энергии потребуются минимум каждые двадцать лет, что является наиболее оптимистичной ожидаемой продолжительностью жизни литий-ионных батарей. Существует много других технологий для хранения избыточной электроэнергии от возобновляемых электростанций, но все они имеют уникальные недостатки, которые делают непривлекательным их использование в больших масштабах. [37] [38] (прим. перевод.: Седьмой ключевой момент. Не существует (и вероятно никогда не будет существовать) технологий, позволяющих дешево хранить энергию в требуемых масштабах. Без этого, включение в систему альтернативной энергетики приводит только к росту расходов и увеличению потребления природных ресурсов.)

Балансировка производства и потребления = строительство огромной излишней инфраструктуры

В заключение, расчет только времени окупаемости отдельных солнечных панелей или ветровых турбин значительно переоценивает эффективность возобновляемой энергосистемы. Если мы хотим всегда балансировать производство и потребление, нам также необходимо учитывать использование энергии для создания излишних мощностей генерации (overbuilding, oversizing) и излишней пропускной способности сети передачи электроэнергии, а также использования энергии для создания резервных генерирующих мощностей и / или хранения энергии. Необходимость завышения мощностей системы, также увеличивает затраты и время, необходимое для перехода на возобновляемые источники энергии.

Сочетание различных стратегий является более синергетическим подходом, который улучшает эффективность возобновляемой энергосистемы, но эти преимущества недостаточны для фундаментального решения проблемы. [33] [39] [40]

Строительство солнечных панелей, ветровых турбин, линий электропередачи, систем балансировки и хранения энергии с использованием возобновляемых источников энергии вместо ископаемого топлива, также не решает проблему, поскольку предполагает циклическую необходимость создания огромной дополнительной излишний инфраструктуры возобновляемой энергетики, чтобы строить новую излишнюю инфраструктуру.

Выравнивание потребления энергии по объемам производства энергии

Однако это не означает, что устойчивая сеть возобновляемых источников энергии невозможна. Существует пятая стратегия, которая не пытается балансировать потребление и производство, а направлена ​​на выравнивание потребления под производимый, объем энергии. В этом случае возобновляемая энергия в идеале будет использоваться только тогда, когда она будет доступна.

Если бы нам удалось настроить все потребление энергии в соответствии с прерывистым характером солнечной и ветровой генерации, не было бы необходимости в расширении сети, балансировке традиционной энергетикой или излишнего превышения установленных мощностей возобновляемых электростанций. При этом будет использована вся энергия, производимая солнечными батареями и ветровыми турбинами, без потерь на передачу и без необходимости хранения энергии или необходимости терять излишнюю энергию.

Moulbaix Бельгия. Ветряная мельница de la Marquise XVII XVIII вв.

Конечно, постоянное выравнивание потребления к доступному объему производимой энергии невозможно, поскольку не все мероприятия, связанные с использованием энергии, могут быть отложены. Однако выравнивание потребления к доступному объему производимой энергии должно иметь приоритет, в то время как другие стратегии должны играть вспомогательную роль. Если мы откажемся от обеспечения удовлетворения спроса на энергию в течение 24 часов в день и 365 дней в году, возобновляемая энергосистема может быть построена намного быстрее и с меньшими затратами, что сделает ее более эффективной в целом.

В этом случае, даже небольшие компромиссы дают очень полезные результаты. Например, если Великобритания будет согласна иметь дефицит электроэнергии в течение 65 дней в году, она можетна 100% обеспечиваться возобновляемой электрической сетью (солнечная, ветровая, волновая и приливная мощность) без необходимости хранения энергии, резервной мощности традиционных электростанций или большого объема избыточной установленной мощности альтернативной генерации. [29]

Обсуждение приспособления потребления к прерывистости альтернативной энергетики, обычно ограничивается так называемыми «умными» бытовыми устройствами, такими как стиральные машины или посудомоечные машины, которые автоматически включаются при наличии возобновляемой энергии. Однако эти идеи только царапают поверхность того, что возможно.

До промышленной революции промышленность и транспорт в значительной степени зависели от прерывистых возобновляемых источников энергии. Прерывистость в производстве была практически полностью решена путем корректировки объемов потребления энергии. Например, ветряные мельницы и парусные лодки работали только при наличии ветра. В следующей статье я расскажу, как этот исторический подход может быть успешно применен для современной промышленности и транспортировки грузов.

 

 Мои комментарии к этой статье.

Статья очень интересная и, безусловно, подробно и убедительно объясняет, почему современное индустриальное общество не может существовать на прерывистой возобновляемой энергии. Основные тезисы статьи совпадают с моими статьями, размещенными на сайте в последние дни.

Есть несколько дополнений, которые стоит сделать к этой статье. 

1) Все расчеты и анализ стратегий, сделаны из предположений о необходимости создания сети с надежностью близкой к 100%. Действительно, несложно сделать сеть на полностью возобновляемой генерации, которая будет работать двести-триста дней в году, а остальное время лежать/отдыхать. Я уверен, что современное общество не способно и не захочет существовать в таких условиях. Возможность изменить общество, я чуть ниже обсужу. 

2) Когда зеленым бесам доказываешь дороговизну и неэффективность альтернативной генерации, они отступают на заранее подготовленные позиции - «Технологии улучшаются, панели и турбины дешевеют, вы стоите на пути у прогресса».
Я в своих статьях, и многие другие, и автор этой статьи, в очередной раз рассказал, о том, что нельзя рассчитывать энергоэффективность одной панели или турбины. Нужно смотреть изменение энергоэффективности всей системы, при условии обеспечения бесперебойной работы системы.

Так как расходы на альтернативную энергетику добавляются в систему дополнительно к существующей традиционной генерации и никаких стратегий, изменяющих это, не существует, то любые расходы будут лишними. Экономится в системе только некоторый объем газа, он не сравним с тем объемом вложений в инфраструктуру, который необходимо произвести. Поэтому почти при любых ценах на оборудование, то есть при любых практических возможных, все равно будет происходить увеличение совокупных расходов системы.

Данные убытки покрываются за счет прямого и косвенного субсидирования альтернативной генерации, за счет государства, традиционной энергетики и в конце концов за счетнаселения страны и/или колониальных налогов. 

3) Когда зеленым бесам удается доказать убыточность добавления прерывистой энергетики в систему, они отступают на следующие запасные позиции: «Да… говорят они… это дорого и убыточно… на это плата за сокращение потребления невосполнимых природных ресурсов.» Эта статья полезна как раз тем, что показывает необходимость многократно увеличивать расходы на строительство совершенно не нужной, и крайне неэффективно используемой инфраструктуры. Такой совершенно бессмысленный и неэффективный перевод ресурсов, приводит к тому, что при добавлении в систему «бесплатной» зеленой энергетики, совокупный расход ресурсов (в том числе ископаемого топлива) в системе (в масштабах планеты) увеличивается. Классический пример, того как «зеленые экологи» нашей планете добро причиняют и пользу наносят. Что называется, упаси боже, от таких спасителей. 
 

4) Когда удается доказать убыточность работы альтернативной генерации и резкое повышение убыточности системы при добавлении в нее альтернативной генерации. Бесы не сдаются и отступают на следующие позиции: «В любой системе есть изменчивость (потребления) и, следовательно, любая система должна иметь планово-убыточные мощности для балансировки потребления и производства». 
Конечно же, это обман и манипуляции, потому, что в любой системе существует резервные мощности которые покрывают суточные колебания. Эти колебания еще довольно предсказуемые, поддаются планированию и не требуют держать большой объем мощности в горячем резерве.
Добавление в систему альтернативной энергетики никак не уменьшая проблему с необходимостью балансировать суточные колебания, заставляет, дополнительно держать мощности для покрытия внезапных колебаний, которые могут быть от 0 до 100% установленных альтернативных мощностей. И этот резерв должен быть круглосуточно готов спасать  систему.

 

5) Автор, сделав вывод о невозможности функционирования современного общества на альтернативно одаренной энергетике, логично переходит к обсуждению возможности изменить мир. То есть если прерывистая генерация непригодна для мира, давайте мир так изуродуем, чтобы он стал пригоден для прерывистой генерации.
Какие с этим связаны проблемы:

- Переделать всю инфраструктуру человечества под «смарт» потребление, потребует колоссальных затрат денег средств, энергии. в конечном счёте это приведет к тому, что мы опять же увеличим расход природных ресурсов, в дебильной попытке их спасти.

- В большинстве случаев, затраты на «экономию» энергии будут превышать объем сэкономленной энергии. В качестве примера можно указать, упомянутые в статье попытки «спасать» излишнее электричество ветрогенерации путем его аккумуляции, при этом затраты на спасение больше, чем объем «спасенной» энергии.

- Заставить людей активно жить только тогда, когда есть энергия, это, конечно, забавно, но учитывая, что все это не дает почти никакого эффекта в плане экономии, может лучше все-таки подходить к решению этой проблемы с других сторон.

- И последние, но самое важное, мы не можем заставить промышленность перейти на работу в режим, подстроенный под прерывистую генерацию. Это банально будет обозначать, что значительную часть времени промышленность будет простаивать. И это, в свою очередь, опять нас приводит к проблеме необходимости излишних мощностей. Скажем, чтобы за одну (солнечную) смену сделать тот же объем продукции как за две обычные смены, нужно ровно в два раза больше производственных мощностей. И это будет касаться всей промышленности и инфраструктуры. В этом английском тексте, в каждом втором абзаце, встречаются слова oversizing и overbuilding, это ключевые понятия, с которым мы сталкиваемся, как только пытаемся баловаться с альтернативной энергетикой. То есть необходимость неэффективно затрачивать ресурсы на излишнее увеличение мощностей генерации, транспортировки, хранения, и производственные мощности. Это проблема, которая на корню убивает весь смысл и выгоду от этой кажущейся бесплатной энергии.

Будет интересно посмотреть новую статью автора, но, думаю, она будет написана в стиле «и космические корабли будут бороздить просторы вселенной». Я уверен, что любые стратегии, пытающиеся приспособить промышленность под нужды прерывистой энергетики, приведут к критически сильному падению совокупной производительности труда общества, и могут спровоцировать обрушение обществено-политической системы.

Боюсь, что скоро мы столкнемся с новой зеленой шизой "Да, зелень убыточна и неэффективна. Но это не зелень виновата, это общество такое плохое. Дайте нам еще много много бабла и мы будем улучшать мир."

 

6) Есть еще одно английское слово, которое не имеет красивого перевода на русский язык - self-defeating , то есть «сам себя побеждающий». Именно это слово много раз использует автор, описывая прерывистую генерацию и разные стратегии ее развития. Действительно, альтернативная энергетика, бурно развиваясь, тем самым создает условия для своей не менее быстрой гибели. До тех пор, пока зеленые бесы «тырили мелочь по карманам потребителей», то есть их доля в системе не превышала нескольких процентов, вред от их паразитирования на системе был незначителен и мог игнорироваться.
Но когда совокупный размер зелени в энергобалансе превышает 15-20%, то затраты начинают возрастать многократно либо столь же многократно падает надежность системы.

В этом отношении крайне полезен и характерен эксперимент, который был масштабно произведен в замкнутой энергосистеме Австралии. Бурный рост альтернативно одаренной энергетики привел к еще более бурному росту тарифов, колоссальному росту субсидий и дотаций на энергетику из бюджета и катастрофическому падению надежности системы. Все это стало крайне наглядно благодаря тому, что Австралия, в отличие от Америки и Европы, не имеет колониальных налогов, и, следовательно, не имеет возможности маскировать проблемы за счет внешнего покрытия убытков.

Я подробно рассматривал это в статье «Великий альтернативно одаренный подвиг австралийцев.» (https://aftershock.news/?q=node/562692).

Я думаю, есть серьезные шансы, что уже через полгода, по окончании очередного летнего сезона блэкаутов в энергосистеме Австралии, возмущенные активисты будут линчевать австралийский зеленых бесов, развешивая их, на предварительно сломанных, ветрогенераторах.

Источники:

[1] Swart, R. J., et al. Europe's onshore and offshore wind energy potential, an assessment of environmental and economic constraints. No. 6/2009. European Environment Agency, 2009.

[2] Lopez, Anthony, et al. US renewable energy technical potentials: a GIS-based analysis. NREL, 2012. See also Here's how much of the world would need to be covered in solar panels to power Earth, Business Insider, October 2015.

[3] Hart, Elaine K., Eric D. Stoutenburg, and Mark Z. Jacobson. "The potential of intermittent renewables to meet electric power demand: current methods and emerging analytical techniques." Proceedings of the IEEE 100.2 (2012): 322-334.

[4] Ambec, Stefan, and Claude Crampes. Electricity production with intermittent sources of energy. No. 10.07. 313. LERNA, University of Toulouse, 2010.

[5] Mulder, F. M. "Implications of diurnal and seasonal variations in renewable energy generation for large scale energy storage." Journal of Renewable and Sustainable Energy 6.3 (2014): 033105.

[6] INITIATIVE, MIT ENERGY. "Managing large-scale penetration of intermittent renewables." (2012).

[7] Richard Perez, Mathieu David, Thomas E. Hoff, Mohammad Jamaly, Sergey Kivalov, Jan Kleissl, Philippe Lauret and Marc Perez (2016), "Spatial and temporal variability of solar energy", Foundations and Trends in Renewable Energy: Vol. 1: No. 1, pp 1-44. http://dx.doi.org/10.1561/2700000006

[8] Sun Angle and Insolation. FTExploring.

[9]  Sun position calculator, Sun Earth Tools.

[10] Burgess, Paul. " Variation in light intensity at different latitudes and seasons effects of cloud cover, and the amounts of direct and diffused light." Forres, UK: Continuous Cover Forestry Group. Available online at http://www. ccfg. org. uk/conferences/downloads/P_Burgess. pdf. 2009.

[11] Solar output can be increased, especially in winter, by tilting solar panels so that they make a 90 degree angle with the sun's rays. However, this only addresses the spreading out of solar irradiation and has no effect on the energy lost because of the greater air mass, nor on the amount of daylight hours. Furthermore, tilting the panels is always a compromise. A panel that's ideally tilted for the winter sun will be less efficient in the summer sun, and the other way around.

[12] Schaber, Katrin, Florian Steinke, and Thomas Hamacher. "Transmission grid extensions for the integration of variable renewable energies in europe: who benefits where?." Energy Policy 43 (2012): 123-135.

[13] German offshore wind capacity factors, Energy Numbers, July 2017

[14] What are the capacity factors of America's wind farms? Carbon Counter, 24 July 2015.

[15] Sorensen, Bent. Renewable Energy: physics, engineering, environmental impacts, economics & planning; Fourth Edition. Elsevier Ltd, 2010.

[16] Jerez, S., et al. "The Impact of the North Atlantic Oscillation on Renewable Energy Resources in Southwestern Europe." Journal of applied meteorology and climatology 52.10 (2013): 2204-2225.

[17] Eerme, Kalju. "Interannual and intraseasonal variations of the available solar radiation." Solar Radiation. InTech, 2012.

[18] Archer, Cristina L., and Mark Z. Jacobson. "Geographical and seasonal variability of the global practical wind resources." Applied Geography 45 (2013): 119-130.

[19] Rugolo, Jason, and Michael J. Aziz. "Electricity storage for intermittent renewable sources." Energy & Environmental Science 5.5 (2012): 7151-7160.

[20] Even at today's relatively low shares of renewables, curtailment is already happening, caused by either transmission congestion, insufficient transmission availability, or minimal operating levels on thermal generators (coal and atomic power plants are designed to operate continuously). See: “Wind and solar curtailment”, Debra Lew et al., National Renewable Energy Laboratory, 2013. For example, in China, now the world's top wind power producer, nearly one-fifth of total wind power is curtailed. See: Chinese wind earnings under pressure with fifth of farms idle, Sue-Lin Wong & Charlie Zhu, Reuters, May 17, 2015.

[21] Barnhart, Charles J., et al. "The energetic implications of curtailing versus storing solar- and wind-generated electricity." Energy & Environmental Science 6.10 (2013): 2804-2810.

[22] Schaber, Katrin, et al. "Parametric study of variable renewable energy integration in europe: advantages and costs of transmission grid extensions." Energy Policy 42 (2012): 498-508.

[23] Schaber, Katrin, Florian Steinke, and Thomas Hamacher. "Managing temporary oversupply from renewables efficiently: electricity storage versus energy sector coupling in Germany." International Energy Workshop, Paris. 2013.

[24] Underground cables can partly overcome this problem, but they are about 6 times more expensive than overhead lines.

[25] Szarka, Joseph, et al., eds. Learning from wind power: governance, societal and policy perspectives on sustainable energy. Palgrave Macmillan, 2012.

[26] Rodriguez, Rolando A., et al. "Transmission needs across a fully renewable european storage system." Renewable Energy 63 (2014): 467-476.

[27] Furthermore, new transmission capacity is often required to connect renewable power plants to the rest of the grid in the first place -- solar and wind farms must be co-located with the resource itself, and often these locations are far from the place where the power will be used.

[28] Becker, Sarah, et al. "Transmission grid extensions during the build-up of a fully renewable pan-European electricity supply." Energy 64 (2014): 404-418.

[29] Zero Carbon britain: Rethinking the Future, Paul Allen et al., Centre for Alternative Technology, 2013

[30] Wave energy often correlates with wind power: if there's no wind, there's usually no waves.

[31] Building even larger supergrids to take advantage of even wider geographical regions, or even the whole planet, could make the need for balancing capacity largely redundant. However, this could only be done at very high costs and increased transmission losses. The transmission costs increase faster than linear with distance traveled since also the amount of peak power to be transported will grow with the surface area that is connected. [5] Practical obstacles also abound. For example, supergrids assume peace and good understanding between and within countries, as well as equal interests, while in reality some benefit much more from interconnection than others. [22]

[32] Heide, Dominik, et al. "Seasonal optimal mix of wind and solar power in a future, highly renewable Europe." Renewable Energy 35.11 (2010): 2483-2489.

[33] Rasmussen, Morten Grud, Gorm Bruun Andresen, and Martin Greiner. "Storage and balancing synergies in a fully or highly renewable pan-european system." Energy Policy 51 (2012): 642-651.

[34] Weitemeyer, Stefan, et al. "Integration of renewable energy sources in future power systems: the role of storage." Renewable Energy 75 (2015): 14-20.

[35] Assessment of the European potential for pumped hydropower energy storage, Marcos Gimeno-Gutiérrez et al., European Commission, 2013 

[36] The calculation is based on the data in this article: How sustainable is stored sunlight? Kris De Decker, Low-tech Magazine, 2015.

[37] Evans, Annette, Vladimir Strezov, and Tim J. Evans. "Assessment of utility energy storage options for increased renewable energy penetration." Renewable and Sustainable Energy Reviews 16.6 (2012): 4141-4147.

[38] Zakeri, Behnam, and Sanna Syri. "Electrical energy storage systems: A comparative life cycle cost analysis." Renewable and Sustainable Energy Reviews 42 (2015): 569-596.

[39] Steinke, Florian, Philipp Wolfrum, and Clemens Hoffmann. "Grid vs. storage in a 100% renewable Europe." Renewable Energy 50 (2013): 826-832.

[40] Heide, Dominik, et al. "Reduced storage and balancing needs in a fully renewable European power system with excess wind and solar power generation." Renewable Energy 36.9 (2011): 2515-2523.

Подробнее на https://khazin.ru/articles/140-energetika/54968-kak-ne-mozhet-funktsioni...