Опубликована новая модель 100% ВИЭ глобальной энергосистемы

Коллектив ученых под руководством стэндфордского профессора Марка Джекобсона опубликовал в журнале One Earth новую работу «Влияние энергетических планов «Нового зеленого соглашения» на стабильность энергосистемы, затраты, рабочие места, состояние здоровья и климат в 143 странах».

Новая статья является продолжением исследований, проводимых группой уже десять лет.

В новой статье использованы обновлённые исходные данные, учитывающие прогресс в развитии ВИЭ в мире, а круг исследования расширен на четыре страны.

Дорожные карты разработаны для 143 стран мира с целью перевода их традиционных практик использования энергии для всех нужд (электричество, транспорт, отопление / охлаждение, промышленность, сельское хозяйство / лесное хозяйство / рыболовство, военное дело) на технологии ВИЭ, а именно на ветер, воду и солнце (wind-water-solar или WWS) с применением систем накопления энергии. Страны сгруппированы в 24 региона для моделирования соответствия спроса на энергию и предложения энергии (100% ВИЭ) с учётом хранения электроэнергии, тепла, холода и водорода в каждый момент времени (30-секундные интервалы) в течение трех лет. Стабильные решения (без потери нагрузки) найдены во всех 24 регионах, отмечают авторы.

Получены новые метрики для оценки частных и общественных издержек WWS по сравнению с традиционной организацией энергетики (business as usual или BAU). Хотя среднемировые частные издержки WWS на энергию (электроэнергия, тепло, холод и водородная энергия), включая хранение и передачу, на единицу энергии всего лишь на 10% ниже, чем у BAU, WWS имеет на 61% меньшие совокупные частные издержки и на 91% меньшие совокупные общественные издержки (с учётом эффектов для здоровья и климата). Если в системе BAU годовые общественные издержки в 2050 году составят $76,1 триллиона, то для системы WWS требуется всего $6,8 триллиона в год (в долларах США 2013 года). Суммарные годовые частные издержки (затраты на энергию) снизятся с $17,7 до $6,8 триллиона в год. Капитальные затраты на установку систем WWS в 143 странах составляют ~ $73 трлн. В частности, для реализации американского Green New Deal требуется примерно $7,8 триллиона капитальных инвестиций, но это приведёт к снижению частных и социальных издержек на 64% и 89% соответственно, по сравнению со сценарием BAU. В то же время такой переход создаст на 3,1 миллиона больше долгосрочных рабочих мест с полной занятостью в США. Глобально, переход на WWS создаст 28,6 миллионов дополнительных рабочих мест.

Модель авторов показывает, что WWS энергетическая система может существенно снизить общее потребление энергии – на 57,1% к 2050 г (верхний рисунок). Это объясняется более высокой эффективностью транспортных средств с электрическими двигателями и водородными топливными элементами по сравнению с машинами, работающими на ископаемом топливе; электрифицированной промышленности по сравнению индустрией, работающей на ископаемом топливе; электрических тепловых насосов по сравнению с традиционными системами обогрева и охлаждения, а также устранением потребления энергии, необходимой для добычи, транспортировки и переработки ископаемого топлива.

Как мы знаем, сложившаяся сегодня система производства и потребления энергии чрезвычайно неэффективна и расточительна. Речь идёт не о том, что энергии потребляется «много», а о том, что большая часть первичной энергии, поступающей в экономику, просто-напросто теряется в процессе переработки, доставки и работы двигателей. Посмотрите для примера на следующий график энергопотребления США:

Потери энергии составляют почти 68% !!

Изменение топливно-технологической структуры энергетического сектора приводит к значительному росту эффективности энергетических затрат. По этому вопросу можно дополнительно посмотреть следующую работу.

Следует особо отметить, что новая модель Джекобсона, несмотря на полную электрификацию всего, предполагает довольно умеренное расширение генерирующих мощностей. К 2050 году установленная мощность мировой энергосистемы в сценарии WWS должна достичь 40544 ГВт. Это меньше, чем в некоторых других исследованиях.

Одним из мифов о ВИЭ является заблуждение, что для них требуется слишком много площадей для размещения объектов. Авторы подсчитали, что под размещение объектов энергетики в системе WWS потребуется всего 0,17% поверхности суши и еще 0,48%, если учитывать расстояния между наземными ветряными турбинами — всего 0,65%.

На следующем графике показана расчётная средняя стоимость единицы энергии (LCOE) в разных странах и регионах мира в 2050 году в сценарии WWS:

Наибольшую часть затрат составляют затраты на генерацию, которая включает капитальные затраты, затраты на эксплуатацию, техническое обслуживание и вывод из эксплуатации. В порядке убывания следующие по величине затраты — на передачу и распределение; хранение электроэнергии; производство и хранение водорода; и хранение тепловой энергии.

Как мы видим на графике, для России предсказывается, что стоимость единицы энергии будет одной из самых низких в мире, несмотря на переход к солнечной и ветровой энергетике. В работе отмечается, что для крупных регионов будет характерна более низкая средняя стоимость энергии. Обширные территории позволяют лучше географически распределять, оптимизировать энергию ветра и солнца, что снижает вариабельность выработки. Кроме того, в крупных регионах, как правило, уже есть гидроэлектростанции, которые могут обеспечить пиковую мощность.

В модели WWS структура энергетики в Российской Федерации на 2050 год будет следующей (ГВт):

Авторы намеренно фокусируются только на энергии ветра, воды и солнца и исключают ядерную энергетику, «чистый уголь» и биотопливо. Ядерная энергетика не рассматривается, поскольку она отличается слишком долгими циклами планирования/строительства, высокими затратами и целым набором общепризнанных рисков. «Чистый уголь» и биотопливо не включены, поскольку они вызывают сильное загрязнение воздуха.

Одна из проблем, часто обсуждаемых в связи с ветровой и солнечной энергетикой – зависимость от погоды и сезонные колебания выработки, как следствие, сложность согласования поставок энергии с потребностями энергосистемы. Модель авторов показывает, как это согласование происходит. Джекобсон и его команда обнаружили, что электрификация всех секторов фактически формирует более гибкий спрос на энергию, то есть позволяет в большей мере адаптировать потребление под выработку. Например, электромобиль можно заряжать в любое время дня и ночи или водонагреватель с электрическим тепловым насосом также может работать в «более удобное» для энергосистемы время.

Авторы отмечают, что дорожные карты, которые предлагает их исследование, не являются единственно возможными путями. В работе даётся ссылка на исследования, проделанные 11 другими группами, которые также описали возможные пути к 100% чистой, возобновляемой энергии. «Мы просто пытаемся изложить один сценарий для 143 стран, чтобы дать людям в этих и других странах уверенность в том, что да, это возможно. Но есть много решений и множество сценариев, которые могут сработать. Вы, вероятно, не можете предсказать точно, что произойдет, но вам не нужно искать иголку в стоге сена. В этом стоге сена много игл», — говорит Джекобсон.