О доле ВИЭ в мировом энергетическом балансе

Подход МЭА к расчёту первичной энергии применительно к солнечной и ветровой энергетике давно вызывал у меня вопросы. Оказывается, не у одного меня. Норвежский учёный Erik Sauar считает, что методика МЭА ошибочна с научной точки зрения, и приводит к занижению доля солнца и ветра в мировом энергобалансе. Краткий перевод его статьи с небольшими нашими комментариями приводим ниже.

Солнечная и ветровая энергетика уже десятилетия переживают экспоненциальный рост и обеспечивают работой миллионы людей. В то же время по статистике Международного энергетического агентства (МЭА), их доля в мировом энергоснабжении (энергобалансе, как у нас говорят) составляет всего 2%. Почему так получается?

Ответ кроется в ошибке, допущенной 12 лет назад в Руководстве МЭА по статистике. После её исправления, окажется, что доля солнца и ветра в мировом энергоснабжении (energy supply) в 3 раза выше, чем написано в статистических отчетах, и переход на возобновляемые источники энергии происходит гораздо быстрее, чем представляют себе некоторые регуляторы.

Иллюстрация ошибки.

Если условные солнечная, угольная или атомная электростанция производят одинаковые объёмы электроэнергии, можно предположить, что в энергетической статистике их доли в мировом энергобалансе примерно равны. Однако, это совсем не так. В статистике и угольная, и атомная электростанции «вносят» в мировое энергоснабжение в три раза больше, чем солнечная, поскольку для выработки одной единицы их электроэнергии нужно затратить три единицы сырья. Похожие потери, разумеется, происходят и в случае солнечных и ветровых электростанций, однако МЭА эти потери в свои расчёты не включает. Оно лишь учитывает единицу произведённой электроэнергии на основе солнца или ветра.

Соответственно, МЭА существенно занижает вклад солнца и ветра в мировую энергетику.

Такой подход противоречит базовым физическим определениям энергии, которых, по собственным заявлениям, придерживается МЭА.

Первичная энергия.

Когда МЭА сравнивает роль разных источников энергии в мире, оно использует термин «первичная энергия» (primary energy). Определение этого термина имеет точное и ясное физическое значение, которое разделяется и ОЭСР, и МЭА: «Первичное потребление энергии относится к прямому использованию в источнике или к поставке к потребителю сырой энергии без трансформации, то есть к энергии, которая не подвергалась никакому процессу конверсии или трансформации».

Выражаясь проще, первичная энергия — это энергетическое содержание исходного сырья, «сырая энергия», которая поступает в двигатель или на электростанцию и уже там преобразуется во «вторичную» или «конечную» энергию, такую как электричество или механическая энергия.

В случае газа, нефти или угля, «потребление первичной энергии» сегодня рассчитывается корректно — столько-то тонн было потреблено, и это количество потреблённых тонн содержит в себе такое-то количество «первичной энергии». При этом эффективность использования этого сырья в данном показателе никоим образом не учитывается (и не должно учитываться). Например, для движения автомобиля используется лишь 20% энергии содержащейся в сырой нефти. 80% теряется по дороге от скважины до выхлопной трубы.

Для солнечной электростанции или ветряной турбины первичная энергия — это солнце, которое падает на поверхность модулей, и ветер, который обдувает ветрогенератор, а конечная энергия — это электричество. Так же как и в примере с двигателем внутреннего сгорания большая часть первичной энергии здесь теряется в процессе. Почему бы эти ситуации не учитывать одинаково и в соответствии с определением первичной энергии? Скорее всего, одной из причин является желание максимально упростить подсчеты. Компании, производящие нефть или уголь, подсчитывают количество, которое они извлекают, в тоннах. Компании, производящие электроэнергию от солнца и ветра, подсчитывают количество электроэнергии, которую они производят, в киловатт-часах.

В любом случае, статистики ОЭСР и МЭА 12 лет назад выбрали модель, в которой для подсчета потребления первичного источника энергии, который генерирует электроэнергию, исходится из того, сколько тепла было произведено на промежуточном этапе, даже в тех случаях, когда это прямо противоречит физическому определению первичной энергии. 12 лет назад солнечная и ветровая энергетика были очень мелкими секторами, поэтому корректности методологии могли просто не придать значения.

В следующие годы ошибку просто воспроизводили снова и снова. Это означает, что первичная энергия солнечной и ветровой энергетики в 3-4 раза выше, чем оценивается в статистических отчётах и сценариях будущего.

На рисунке ниже показано, как первичная энергия проходит через различные процессы трансформации прежде чем попасть в конечное потребление. Здесь легко увидеть, где МЭА и другие статистики повторяют свою историческую ошибку. И поскольку потери на этапе конверсии N 1 обычно составляют 60-80%, здесь заключена основная разница.

Физические проблемы метода МЭА.

Как можно видеть на рисунке выше, некоторые источники энергии учитываются МЭА фактически как «вторичная энергия». Можно сказать, речь идёт о сравнении несравнимого. МЭА калькулирует не первичную энергию, а нечто, что можно назвать «торгуемой энергией».

Несмотря на то, что МЭА, конечно, может придумывать определения под себя, организация все-таки должна иметь определение первичной энергии, которое соответствует общепринятому научному термину.

Вторая проблема состоит в том, что сегодняшний метод считает первичный источник энергии таковым на 100%, если он проходит через промежуточный процесс производства тепла. В то же время промежуточное производство тепла часто не является наиболее энергоэффективным путем для преобразования первичного источника энергии во вторичную энергию. Почти 50% термодинамического потенциала сразу теряется при преобразовании источника химической энергии (например, нефти и газа) в тепло. Нефть и природный газ в принципе могут быть превращены в почти 100% электроэнергии с помощью идеального топливного элемента. Однако после преобразования этих источников энергии в промежуточное тепло, они теряют почти 50% своего потенциала для производства электроэнергии в силу действия фундаментальных термодинамических принципов.

Подобающий учёт первичной энергии солнечной и ветровой энергетики.

Для биоэнергетики и атомной энергетики также гораздо проще учитывать количество произведённой электроэнергии, чем точно подсчитывать сколько ядерного топлива или биомассы было затрачено. Поэтому МЭА в данных случаях берет объём выработанного электричества и «просто» умножает его на коэффициенты — 3 для биомассы и 3,03 — для атомной энергетики.

Для солнечной и ветровой энергетики очень просто вывести аналогичные коэффициенты. По нашим расчётам коэффициент, учитывающий конверсионные потери, для ветроэнергетики должен быть равен 2,2-2,5. Это, действительно, энергетически весьма эффективная технология, энергоэффективность здесь может превышать 40%.

Солнечные панели обладают более низкой эффективностью, которая, впрочем, скоро в среднем достигнет 20%. Таким образом, мы предлагаем коэффициент 5.0. Вроде бы много. В то же время потери в результате конверсии солнечной энергии во вторичную энергию (электричество) сопоставимы с потерями энергетического содержания нефти на её пути в двигатель внутреннего сгорания. Если мы возьмём структуру генерации с соотношением ветра и солнца 60/40, средний коэффициент будет равен примерно 3,3, что близко к таковому для биоэнергетики и атомной энергетики (по методике МЭА).

К слову, BP, например, осознала проблему, и недавно в своей статистике стала умножать вклад солнца и ветра на 2,8 — чтобы сравнения стали более объективными.

Пример несовершенства нынешнего подхода МЭА к учету первичной энергии.

Солнечное электричество вырабатывается сегодня на основе двух совсем разных технологий. Фотовольтаика непосредственно преобразует солнечную энергию в электричество, а солнечная тепловая энергетика (CSP) сначала производит высокотемпературное тепло, а потом вырабатывает на его основе электроэнергию, как обычная тепловая электростанция.

Как было описано выше, для фотоэлектрической солнечной энергетики МЭА учитывает только произведённую электроэнергию. А вот для CSP Агентство принимает в расчёт также промежуточное производство тепла. В результате получается, как показано на рисунке, что солнечная тепловая электростанция затрачивает в три раза больше первичной энергии, чем фотоэлектрическая, при одинаковой выработке электроэнергии.

И, хотя фотовольтаика является абсолютно доминирующей технологией, благодаря таким статистическим трюкам CSP выглядит гораздо «весомее».

Подведём итоги.

Недооценка солнечной и ветровой энергетики в статистике не является безобидным фактом. Некорректные данные и прогнозы искажают реальность, и могут приводить к ошибочным политическим и регуляторным решениям (например, нам хорошо знакомы рассуждения такого плана: «доля солнца и ветра в энергетическом балансе мала и будет оставаться таковой, поэтому необходимо добывать все больше углеводородов, чтобы обеспечивать растущие энергетические потребности человечества/энергетическую безопасность»).

В статье показано, что сегодняшний метод подсчета первичной энергии в энергетической статистике МЭА и ОЭСР не является научно согласованным. Если статистические методы будет модифицированы так, что солнечная и ветровая энергия будет представлена в соответствии с её реальным вкладом в структуру энергетики, как источника первичной энергии, публика будет лучше понимать место энергии ветра и солнца в сегодняшней энергетике.