Энергетика будущего: К вопросу EROI (EROEI) солнечной энергетики

Вопрос EROI (EROEI) фотоэлектрической солнечной энергетики сегодня является второстепенным, периферийным, можно сказать, отсутствует в профессиональном дискурсе. Другими словами, ни производителей фотоэлектрических систем, ни участников энергетического рынка, ни регуляторов и политиков, ни учёных этот вопрос не волнует и не интересует.

Почему? Потому что всё понятно и без EROI. «Энергоотдача» фотоэлектрической солнечной энергетики высока и будет расти в дальнейшем по мере повышения энергоэффективности производства и снижения материалоемкости устройств.

EROI — англ. energy return on investment или energy returned on energy invested (EROEI) — соотношение полученной энергии к затраченной, «энергетическая рентабельность» (EROI = Lifetime energy output/Energy input).

Показатель появился и начал использоваться в научной литературе в 1970-80-х годах. Почему?

Исчерпаемость природных (энергетических) ресурсов и понимание, что освоение новых, всё более трудных месторождений связано с повышенными затратами энергии, породили беспокойство, что новые единицы добываемой энергии могут не оправдывать затрат энергии на эту добычу. Для оценки отношения были разработаны соответствующие метрика и варианты методологии.

Известно, что со временем EROI основных сырьевых товаров (нефти и газа) снижается:

На этом графике показаны тенденции «прошлых лет», но взят он из новой научной работы 2020 года, посвященной перспективам СПГ, и направление движения передаёт.

Где-то в начале 2000-х годов, а может и в конце 1990-х, когда стоимость (единицы) солнечной энергии была чрезвычайно высока и, в то же время, внедрение «альтернативных» энергетических технологий стало массивно поддерживаться странами Запада, закономерно возник вопрос: являются ли эти технологии состоятельными в плане энергетической рентабельности? Не вкладываем ли мы деньги в «энергетический тупик»? Метрику EROI приложили и к солнечной, и к ветровой энергетике, и было опубликовано великое множество соответствующих научных работ.

В последние годы интерес к теме спал, и лишь некоторые блогеры, черпающие обрывки информации «из забытых газет» и у таких же как они «экспертов» (других невежд), то и дело глубокомысленно, будто раскрывая сакральное, изрекают: «EROI!». Звучит умнО, никому не понятно, и в некоторых кругах можно сойти за знатока. Ещё иногда при этом добавляют что-то про закон сохранения энергии, но это уж совсем загадочный ход мысли.

Разумеется, «по инерции» научные работы по теме выходят. Вот статья 2020 года (вывод: EROI ветровых и солнечных технологий в целом высоки и растут). Но это опять же не «новое откровение», а что-то по следам «былых боёв». Можно найти всё что угодно, даже «Модель оценки жизненного цикла для количественной оценки воздействия на окружающую среду фотоэлектрической системы мощностью 3,6 кВт в Бангладеш» (научная статья 2019 года), в которой также рассчитывается EROI, точнее срок «энергетической окупаемости» (англ. Energy Payback Time или EPBT, об этом ниже).

Эти работы интересны лишь самим авторам в качестве очередной строчки в перечне их публикаций.

В чем причина отсутствия интереса?

Всё дело в экономике.

Когда у вас (несубсидированная, разумеется) стоимость солнечной электроэнергии 1 рубль за киловатт-час или даже меньше одного рубля за киловатт-час, и вы можете зафиксировать такую одноставочную цену на 25 лет, кого волнует теоретическая, довольно сложная, неточная и плохо подходящая для межотраслевых сравнений метрика как EROI? Если любите математику, можете постараться вывести EROI из этой цены, поскольку большинство данных для такого расчёта доступно, и энергетические затраты жизненного цикла объекта в неё включены. Ну получится у вас 50:1 или 100:1, как это скажется на устройстве мира?

Оценка объёма энергетических затрат в течение жизненного цикла объекта солнечной энергетики (как и ветроэнергетики) относительно проста, уже точно проще (и точнее), чем для энергетических сырьевых ресурсов. Возьмём, например, «EROI нефти». Это же вообще непонятно что такое, полная абстракция. Разумеется, за историю развития науки был выработан соответствующий инструментарий, определены границы исследований (англ. System boundaries), и соответствующие методики оценки EROI существуют для чего угодно. В то же время, отмечается колоссальный разброс оценок EROI для одних и тех же энергетических товаров, что свидетельствует о весьма невысокой научной и практической (да какой угодно) ценности показателя. Посмотрите, например, статью в Scientific American, где приводятся курьезные примеры. Вот что говорится про EROI атомной энергетики: «некоторые утверждают, что EROI на самом деле меньше единицы…, в то время как другие … оценивают, что EROI намного выше, чем, возможно, у любого другого источника энергии».

Как сказано в начале предыдущего абзаца, подсчёт энергетических затрат для фотоэлектрической солнечной энергетики намного проще и точнее, чем для энергетического сырья (и для соответствующих секторов электроэнергетики, работающих на основе сжигания углеводородов), а также атомной энергетики. Это объясняется просто: основной объём энергетических затрат, относящихся к жизненному циклу солнечной электростанции, приходится на стадию стандартизированного, высокотехнологичного промышленного производства. Грубо говоря, основные энергетические затраты производятся на заводе. Завод подключен к соответствующим системам энергообеспечения с соответствующими системами учёта энергоресурсов.

Что входит в жизненный цикл объекта фотоэлектрической солнечной генерации? Всё. От добычи сырья до утилизации останков. Есть методики. Программа по фотовольтаике Международного энергетического агентства (IEA PVPS) как раз недавно обновила свои методические рекомендации (см. 3.2.3. System boundaries).

Производственная стадия, на которой возникают основные энергетические затраты, состоит из следующих основных этапов (мы рассматриваем здесь солнечные модули из кристаллического кремния ~ 95% мирового рынка):

Производство поликремния;

Производство слитков;

Нарезка кремниевых пластин;

Производство элементов (ячеек);

Производство («сборка») модулей.

Вклад в общие энергозатраты последних трёх стадий относительно невелик, первые две стадии — производство поликремния и слитков из него — являются весьма энергоемкими, именно на них приходится основная доля энергетических затрат жизненного цикла объекта солнечной энергетики (по этой причине EROI тонкопленочных модулей, таких как CdTe, выше – там нет процессов плавки кремния).

Если в середине 2000-х для производства солнечных модулей требовалось 13-14 грамм поликремния на ватт, то сегодня удельное потребление приближается к 3 граммам на ватт.

На этом в общем-то историю про «энергоотдачу» солнечной энергетики, про EROI можно было бы закрыть. Снижение материалоемкости, в данном случае потребления сырья, на производство которого приходятся основные энергетические затраты, связанные с солнечной энергетикой, являлось и является основным фактором роста EROI. Дополнительными факторами являются повышение энергоэффективности всех звеньев самого производства и эффективности модулей (в последние годы растёт значение последнего фактора).

Но мы все-таки продолжим.

Всякому, кто серьезно интересуется солнечной энергетикой, нужно читать «Факты о фотовольтаике» — отчёт немецкого Института солнечных энергетических систем (Fraunhofer ISE), который выходит пару раз в год. Эта книжка построена в форме ответов на многочисленные вопросы, касающиеся отрасли.

Там есть и ответ на вопрос: «Потребляет ли производство фотоэлектрических модулей больше энергии, чем они могут произвести?»

Ответ: Нет. EROI зависит от технологии и местоположения установки. Авторы ссылаются на «недавнее исследование» (2017 год), в соответствии с которым EROI кремниевых солнечных установок с расчетным сроком службы 25 лет, расположенных в Швейцарии, составляет 9-10, соответственно, срок энергетической окупаемости — 2,5 — 2,8 года. «Ветровые электростанции имеют значительно более короткий срок энергетической окупаемости, обычно менее года», — отмечают авторы. [В этой статье мы рассказываем о солнечной энергетике, но все-таки напомним, что вопрос энергетической окупаемости ветроэнергетики изучен основательно. EROI ветрогенераторов составляет 35-45, и по мере роста мощности установок и снижения материалоемкости будет расти. Vestas публикует анализ жизненного цикла (Life Cycle Assessment, LCA) по каждой модели ветрогенераторов. Это более чем 100-старничные отчёты, заверенные независимыми научными инстанциями, в которых учитывается всё, вплоть до гвоздя, в том числе все энергетические затраты на всех стадиях жизненного цикла. В документацию включён расчёт EPBT].

Да, срок энергетической окупаемости (англ., Energy Payback Time, EPBT) – время за которое отбиваются энергетические затраты, которые понесены/будут понесены в течение срока жизненного цикла объекта — это метрика которая в науке и профессиональной литературе используется чаще, чем EROI, но из которой EROI легко выводится (EROI = T/EPBT, где T – срок жизненного цикла объекта).

Авторы из Fraunhofer, разумеется, понимают, что работа 2017 года, для которой используются исходные данные предыдущих лет (2015-2016), сегодня уже устарела. Тем не менее, они ссылаются на эту довольно известную статью, абсолютно не рефлексируя. Дело в том, как мы отмечали ранее, вопрос EROI применительно к солнечной (и ветровой) энергетике является второстепенным, представляющим лишь ограниченный теоретический интерес.

За последние несколько лет произошли колоссальные изменения в повышении эффективности во всей цепочке производства солнечных модулей, радикально, в разы выросли как общие масштабы производства, так и размеры отдельных фабрик. Сегодня фабрики, выпускающие под одной крышей 5 и более ГВт изделий (пластин, элементов, модулей) в год, стали нормой. Ещё пять лет назад таких крупных заводов не было в принципе.

Эффект масштаба приводит к значительному снижению удельных (на ватт произведенной продукции) энергетических затрат.

Ещё в 2016 году была опубликована научная работа «Энергетические кривые обучения для фотоэлектрических систем» (Energy learning curves of PV systems), в которой по аналогии с финансовой функцией (объём выпуска – стоимость) была рассчитана зависимость удельных энергетических затрат от объёмов выпуска солнечных модулей. Коэффициент обучения для модулей получился равным 17%, фотоэлектрических систем 14%.

На графике из статьи видно, что упомянутые мной выше величины EROI («50:1 или 100:1») – это не фигура речи. По расчётам авторов что-то похожее получается в некоторых регионах мира уже в 2020 году.

В мае 2021 году немецкое Бюро по охране окружающей среды (Umweltbundesamt) опубликовало большой (392 страницы) доклад «Обновление и оценка экологических балансов ветроэнергетических и фотоэлектрических систем с учетом текущего технологического развития». Для условий Германии EPBT солнечных установок с модулями из монокристаллического кремния получился 2,1 года (для тонкопленочных CdTe модулей – 0,9 года), то есть с учётом рассматриваемого в докладе 30-летнего срока службы EROI для кремниевых модулей превышает 14 (в неблагоприятных в плане развития солнечной энергетики природных условиях). Для тонкоплёночных модулей CdTe EROI превышает 33.

Выводы:

Метрика EROI плохо подходит для межотраслевых сравнений в связи со сложностью установления сопоставимых границ системы и отсутствия единой методики расчёта. Об этом свидетельствуют и кардинальные различия в научной литературе оценок EROI одних и тех же энергоносителей (или секторов энергетики).

EROI является «второстепенным» показателем, имеющим сомнительное научное и практическое значение.

В отличие от многих других отраслей, рассчитать EROI солнечной энергетики (в методологическом плане) относительно просто, поскольку границы системы чётко определены, а энергетические затраты фиксируются соответствующим приборами учёта. В то же время, разумеется, получение этих исходных данных для расчёта является отдельной задачей.

EROI солнечной энергетики является высоким и будет расти в дальнейшем по причине роста энергоэффективности производства и снижения потребления материалов на единицу выпускаемой продукции.