100% ВИЭ — новая модель глобальной энергосистемы

В полку моделей энергетического будущего прибыло. Учёные Стэнфордского университета под руководством Марка Джейкобсона создали и опубликовали в научном журнале Joule (по-нашему — «Джоуль») модель мировой энергосистемы, которая к 2050 будет функционировать исключительно на основе возобновляемых источников энергии. Работа называется «100% чистая и возобновляемая энергия на основе ветра, воды и солнца для всех секторов. Дорожные карты для 139 стран мира» (100% Clean and Renewable Wind, Water, and Sunlight All-Sector Energy Roadmaps for 139 Countries of the World).

Как следует из названия, авторы составили соответствующие программы перехода «к стопроцентно чистой энергии» для 139 стран (у остальных не нашлось подходящих исходных статистических данных для анализа), в которых описаны пути трансформации и то, что должно получиться на выходе.

Модель предусматривает, что уже к 2030 году 80% мировой энергии будет производиться возобновляемыми источниками. А к 2050 их доля будет доведена до 100%. Важно отметить, что в модели речь идёт не об электроэнергетике, а всем потреблении энергии человечеством. Решение, которое предлагают учёные — это «полная электрификация». То есть все сферы, в которых потребляется энергия (транспорт, отопление/охлаждение, промышленность, сельское хозяйство/лесное хозяйство/рыболовство) должны быть электрифицированы.

При этом структура генерации будет выглядеть следующим образом. Основным производителем энергии станет солнечная энергетика (фотоэлектрическая и тепловая -суммарно 57,55%), ветроэнергетика обеспечит 37,14%, гидроэнергетика — 4%, энергия волн — 0,58%, приливов — 0,06%, геотермальная — 0,67%. То есть, почти как в поговорке: солнце, ветер и вода – наши лучшие друзья, то есть обеспечивают всё земное энергопотребление. Для этого сценария исследователи из Стэнфорда используют подходящую аббревиатуру: WWS — wind, water, solar. В виде графика эта структура изображена на вышеприведенной картинке.

При этом авторы отказываются как от атомной, так и от биоэнергетики, а также от технологий CCS в связи с экологическими и операционными рисками. Также не планируется увеличивать мощности ГЭС, в исследовании предполагается лишь увеличение их коэффициента использования мощности (КИУМ) с нынешнего мирового уровня в 42% до 50%. То есть фактически вся новая генерация – это солнечные и ветровые электростанции.

Суммарный объем мощностей, который требуется построить в мире для выполнения условий модели, равен примерно 46,2 тераватт (46200 гигаватт), и это не считая 6 тысяч ГВт – дополнительных пиковых мощностей/накопителей энергии! Невероятная цифра, если учитывать, что установленная мощность мировой электроэнергетики равняется сегодня приблизительно 6,5 тыс. ГВт. Сумма инвестиций, которые потребуются для осуществления такой энергетической трансформации, также впечатляет — 125 триллионов долларов США.

Для размещения этих мощностей понадобится чуть меньше одного процента земной поверхности (суши).

Следует отметить, что модель предусматривает существенное снижение потребления энергии к 2050 по сравнению с традиционными прогнозами (business as usual). Лишь в малой степени это произойдет за счет роста энергоэффективности. Основной выигрыш связан как раз с электрификацией – отпадают а) потери энергии в процессе преобразования топлива («электродвигатель эффективнее двигателя внутреннего сгорания»), а также б) расход энергии, связанный с добычей, переработкой и доставкой ископаемого сырья.

Такой сценарий развития энергетического сектора обеспечит выполнение самой амбициозной задачи Парижского климатического климата — ограничит повышение температуры 1,5 градусами Цельсия, и при этом, «технически и экономически выполним», считают авторы исследования. Действительно, практически все необходимые технологии для такого перехода уже есть на рынке. Да, батарейные накопители энергии еще не слишком совершенны, да, до «серийного» электрического воздухоплавания еще далеко, но всё остальное уже здесь.

В случае реализации сценария к 2050 в мире будет создано 52 млн рабочих мест на условиях полной занятости, что почти в два раза перекроет их потери в сырьевом секторе, атомной и биоэнергетике. Чистая прибавка рабочих мест составит 24,3 млн.

Более того, человечеству удастся избежать 4,56 млн преждевременных смертей, вызванных загрязнением воздуха, в год, сократить расходы, связанные а) с загрязнением воздуха — на $22,8 триллиона в год, и б) с изменением климата — на $28,5 триллиона в год. Таким образом, «социальная стоимость» энергии существенно снизится. Ну и цены на энергию стабилизируются, поскольку топлива нет. Такая вот арифметика.

Разумеется, в разных странах структура производства электроэнергии будет различной, соответствующей местным условиям. Например, в Судане основную роль возьмут на себя кровельные солнечные электростанции, в Швейцарии – гидроэнергетика, а в США – ветроэнергетика.

А что в России? Здесь также ветроэнергетика доминирует в модельных расчетах – около 72% потребления, а солнечная энергетика обеспечит более 23% (таблица S8).

Любопытная цифра. Предлагаемая авторами исследования установленная мощность только малых домашних кровельных солнечных электростанций (Residential rooftop PV) в России к 2050 г составляет почти 151 гигаватт (Таблица S22)!

В 2015 Джейкобсон и компания выпустили аналогичное исследование для США, которое подверглось аргументированной критике. Например, группа авторов в статье, опубликованной в научном журнале «Proceedings of the National Academy of Sciences», отмечала, что работа Джейкобсона для американского рынка «включает ошибки, неподобающие методы и неправдоподобные предположения». В частности, речь шла о необоснованном прогнозе роста выработки гидроэлектростанций, сомнениях в правильности отказа от атомной энергетики и неуверенности в скорости развития технологий хранения энергии и т.п.

В новой работе авторы из Стэнфорда в значительной степени учли критику. Теперь почти 10% потребляемой глобально мощности выдают тепловые солнечные электростанции, способные работать круглосуточно и покрывать пиковые нагрузки.

В исследовании также моделируется взаимодействие между спросом и предложением в электрических сетях всех рассматриваемых стран с учетом предполагаемой доступности ресурсов (ветер, вода и солнце) и ограничений.

Работа Джейкобсона и его коллектива – не первая модель мировой энергосистемы, функционирующей на основе ВИЭ. Ранее, в 2016 г ученые из Лаппеенрантского технологического университета (LUT) в Финляндии представили аналогичную модель.

Никто не сомневается в том, что энергосистема, работающая исключительно на основе возобновляемых источников энергии, с технологической точки зрения возможна. Также она, несомненно, полезна для здоровья. А что с воплощением в жизнь?

Известно, что некоторые небольшие государства уже поставили перед собой цели в духе рассмотренной концепции. Например, Швеция или Дания. Да и, скажем, нефтегазовая Норвегия без особого труда сможет полностью электрифицировать свою экономику с помощью ВИЭ (почти всю электроэнергию здесь производят ГЭС).

В то же время крупнейшие страны пока всерьез не обсуждают такую перспективу. Это понятно. Как говорил любимый миллионами киноперсонаж, «такие вопросы … с кондачка не решаются». Речь идёт о, действительно, тектоническом сдвиге, управление которым требует незаурядных организационных усилий и талантов. Как так – отменить/закрыть сырьевой сектор? Такое трудно себе представить. Слишком много с ним связано.

Впрочем, страны, которые зависят от импорта энергоресурсов, безусловно, гораздо ближе к переходу на ВИЭ полностью. Например, в ЕС установлены крайне агрессивные цели сокращения выбросов парниковых газов к 2050 году во всех секторах. Это предполагает мощное развитие возобновляемой энергетики. Да, пока о ста процентах речь не идет. В то же время не исключаю, что по мере развития технологий генерации и хранения энергии, всё больший круг стран будет ощущать возможность и целесообразность такой серьезной энергетической трансформации.