Возобновляемая энергия: хранить нельзя построить

Вместо оснащения ветряков и солнечных батарей накопителями энергии лучше... построить ещё один ветряк, не имеющий накопителей. Есть ли выход из абсурдной ситуации?

В 2009 году мощность ветряков по всему миру составляла 158 ГВт — 3,00% от всех генерирующих мощностей мира. Для солнечной энергетики всё было ещё хуже: её 23,6 ГВт равнялись лишь 0,45%. Сегодня это кажется сообщением из позднего мелового периода, поскольку за эти пять лет ветроэнергетика удвоилась, добравшись до 318 ГВт, а солнечная растёт так быстро, что достоверных цифр на начало 2014-го попросту нет. Но уже в конце 2012 года общие гелиомощности мировой энергетики превысили 100 ГВт. То есть за пять лет солнечная энергетика более чем упятерилась.

Большие дети — большие проблемы. Из диковинки, энергию которой любая сеть могла легко купить, поскольку такая выработка терялась на фоне её потребностей, оба сектора превратились в повседневные источники энергии. И тут обозначались давно ожидаемые сложности: чтобы снабжаться от таких источников как от основных, нужны накопительные мощности, и значительные. Но прогресс аккумуляторов пока на две головы отстаёт от прорыва в возобновляемой энергетике, и никто толком не знает, есть ли у создания таких накопительных мощностей особый смысл.

Чтобы прояснить ситуацию, Майкл Карбахалес-Дэйл (Michael Carbajales-Dale) и его коллеги по Стэнфордскому университету (США) взялись за точные измерения. Их интересовало, можем ли мы позволить себе хранить энергию Солнца и ветра или это не имеет энергетического смысла.

«Исследования показывают, что ветряки и фотоэлементы теперь производят больше энергии, чем уходит на их изготовление и установку, — говорит г-н Карбахалес-Дэйл. — Вопрос: сколько энергии нужно на создание накопительных мощностей, подключённых к сети, чтобы на обеспечение функциональности ветряной и солнечной отраслей не уходило больше энергии, чем от них поступает?»

Чтобы понять это, надо учесть существенно больше переменных, чем кажется. Во-первых, надо знать коэффициент использования установленной мощности (грубо говоря, какую часть года они работают) и фотоэлементов, и ветряков. Как ни смешно, авторы были вынуждены воспользоваться скорее расчётным методом его определения, поскольку в ряде случаев (на крышах домов и т. д.) статистика такого рода труднодоступна. У них получилось 12% для солнечных батарей и 25% для ветряков. Последняя цифра выглядит достоверно, а вот первая кажется близкой только к американским или японским реалиям. Между тем ведущая фотоэлементная держава мира — «солнечная» Германия, причём в основном не южная её часть, то есть места, где ни о каких 12% даже мечтать не приходится. Но не будем придираться: получить реальные показатели такого рода дьявольски сложно, и товарищи, бесспорно, и так провели огромную работу. Итого: 100 ГВт солнечных батарей дают в год примерно 100 млрд кВт•ч, а 318 ГВт ветра — 700 млрд кВт•ч (всего около 4% от мировой генерации).

С одной стороны, это значит, что если один регион (страна) полагается только на солнечную энергию, то ему потребуется больше накопительных мощностей, чем если бы он не забывал о ветре; упрощая, можно сказать, что ветер просто дует больше часов в году, чем светит солнце. Но в то же время, подчёркивают авторы, из-за более низкой суточной выработки, чтобы полностью «забэкапить» киловатт гелиоэнергетических мощностей, нужно меньше кВт мощностей накопительных.

Во-вторых, следует понять, какова энергоёмкость создания накопительных мощностей. Сегодня в мире есть два варианта крупномасштабного накопления энергии: гидроаккумулирующие электростанции (или иные японские ГЭС, одновременно являющиеся и ГАЭС) и колоссальные стены в основном литиевых батарей ёмкостью в мегаватты. Строительство ГАЭС по г-ну Дэйлу требует 26 кВт•ч «энергоинвестиций» на накапливаемый киловатт, а батареи — 153 кВт•ч. Авторы полагают, что нужно выбрать среднюю цифру — 117 кВт•ч на один киловатт ёмкости накопителей.

Вероятно, вы уже догадались, что с энергетической точки зрения всё довольно печально. Солнечные батареи могут позволить себе создание мощностей не более чем на 24 часа собственной выработки. Если увеличить ёмкость, то за время работы комплекса «солнечная батарея — аккумуляторы» энергозатраты на такую «генерацию» могут превысить отдачу.

У ветра всё гораздо оптимистичнее. Благодаря меньшей энергоёмкости ветряков на них можно «навесить» намного больше аккумуляторов и ГАЭС, и лишь в том случае, если время работы от этих УПСов будет больше 72 часов, энергетические затраты на систему «генератор — накопитель» могут превысить отдачу.

Авторы исследования считают, что для компенсации ночных провалов в генерации фотоэлементам хватит даже 24 часов накопления, а трёх суток будет достаточно для восполнения влияния штилей. В то же время они ни словом не обмолвились о компенсации колебаний освещённости в период «лето — зима». Даже на широте Сан-Франциско зимняя выработка солнечных батарей в два раз ниже летней, и без накопителей, ёмкость которых равна их генерации за сотни часов, восполнить это без дополнительных источников электричества просто не получится.

Другим интересным моментом исследования является то, что в ряде случаев оно ставит под вопрос целесообразность накоплении энергии вообще. Даже ГАЭС, самые дешёвые накопители, — и те требуют для создания 72-часового запаса энергии ветра столько же энергии, сколько ушло на построение ветряков, электричество которых они должны запасать. При этом в финансовом отношении соорудить эти ветряки в три раза дешевле, чем ГАЭС «под них». Вывод: эффективнее развернуть больше ветряков, чем строить к ним накопители, пусть даже при сильном ветре турбины и будут молотить вхолостую, давая больше энергии, чем нужно сети. Правда, это скорее идеал, чем реальность, поскольку и ежу понятно, что в полный штиль даже вдвое большее число ветряков не сможет погасить колебания в выработке эоловых турбин.

Для солнечной батареи киловатт накопителей в виде ГАЭС «энергетически дешевле» установки дополнительного киловатта фотоэлементов. А вот если электричество хранить в литиевых аккумуляторах, то затраты энергии уже становятся равными, поэтому в ряде случаев вместо установки аккумуляторов всё ещё имеет смысл иметь лишний киловатт солнечных батарей. И пускай их энергию в полдень будет некуда деть, зато вечером они покроют больше потребностей сети. Да и общая проданная генерация за год будет чуть выше, а владельцу только этого и надо.

На первый взгляд кажется, что г-н Дэйл и Ко преувеличивают. В самом деле, почему они принимают во внимание аккумуляторное хранение мегаватта и полагают, что оно будет иметь долю рынка, равную более дешёвым энергетически и финансово ГАЭС?

Но исследователи правы, считая их перспективы очень близкими. Дело в том, что, за исключением Китая, солнечная и ветровая энергетика развивается сегодня только в странах западного пути. То есть там, где массовая реализация крупных проектов, требующих решительного (решительно недемократического) государства (вроде тех же ГАЭС), сегодня очень сложна. Достаточно посмотреть на даты ввода в строй основных ГАЭС, существующих в США, чтобы понять, как мало людей в развитых странах готовы возводить нечто подобное.

Наконец, оптимальных мест для создания гидроаккумулирующих накопителей не так много. Это должна быть локация с доступом к воде и с большим перепадом высот между верхним и нижним резервуаром. Само собой, такое есть далеко не везде.

Да, аккумуляторные накопители пока дороже гидроаккумулирующих, вреднее для экологии и требуют для своего создания в шесть раз больше энергии. И всё же часто выбирают именно их — ведь батареи может поставить на заднем дворе электростанции любая мелкая генерирующая компания.

В целом выводы учёных просты: с точки зрения энергетической рентабельности сейчас наилучшим производителем запасаемой возобновляемый энергии являются наземные ветроэлектростанции; фотоэлементам же, чтобы дойти до такого уровня, нужно сильно снизить энергоёмкость производства. Авторы забыли лишь добавить, что наземные ветряки, как и нефть, — удовольствие для избранных. То есть в силу выработки, пропорциональной кубу скорости ветра, строить их можно далеко не везде. И пока страны типа Испании будут экспортировать эолово электричество, Финляндия может даже не напрягаться: для тихих лесистых краёв наземные ветряки не подходят и в ближайшее время подходить не будут.

Так что же, выхода нет, и строить, в прямом смысле слова, лишние киловатты от солнца и ветра выгоднее, чем запасать? Хотя стэнфордцы и сами к этому склоняются, мы бы не спешили с такими выводами, по крайней мере в случае солнечной энергетики.

Сегодня есть два фактора, которые резко повышают потребность фотоэлементных генерирующих мощностей в хранении энергии на ежедневной основе. Первый: солнце используют не там, где светлее, а там, где в голову взбредёт. Именно поэтому данные Минэнерго США, приводимые исследователями, свидетельствуют о следующем: если в среднем фотоэлементы работают три часа в день (КИУМ 12%), то иные из них умудряются не отлынивать и четыре с половиной (18%), и пять (20%) часов. Это не потому, что владельцы последних размещают их на Луне или Меркурии, просто инвесторы этих фотоэлементных электростанций перед принятием бизнес-решений удосужились посмотреть на карту.

Постоянные «КЛ»-читатели уже поняли, о чём мы. И лучше всего наш тезис иллюстрирует ЕС, основной производитель солнечной энергии в мире. Зачем Финляндии, например, солнечные электростанции — можно объяснять долго и упорно, но только при условии, что Финляндия существует в ином экономическом пространстве, нежели Греция — Италия — Испания. Если же с этим условием не согласиться, то обсуждать тут нечего, ибо тайна сия велика есть.

Тем не менее в ЕС, как считается, единое экономическое пространство всё же наличествует. И оно, по идее, позволяет построить сеть гидроэлектростанций по оси Южный Крит — Сицилия/Калабрия — Южная Испания. В любом из этих мест отдача солнечной ЭС будет вдвое и более раз выше, чем близ Хельсинки или Берлина, а главное — выработка зимой там падает вдвое против летней, а не в 10–20 раз, как в упомянутых городах Северной Европы. Почему же электростанции в основном строятся именно в северной, а не южной части ЕС? Можно, конечно, сказать, что в южной находятся PIGS, а кто же доверит каким-то PIGS крупные электростанции, миллиардные инвестиции и прочее? Ну да, ответим мы, ну да. Конечно, немцам больше нравится покупать газ на Востоке и делать вид, что они не нашли Украину на карте, чем инвестировать в соседей по ЕС. В общем, на наш взгляд, рано или поздно случится одно из двух: либо Германия прекратит гелиоэнергетический переход, либо начнёт строить фотоэлементы там, где они дают электричество сравнительно равномерно, а не там, где очень хочется.

И ещё одно. Нынешние солнечные батареи в 99% случаев — неподвижные пластины, обращённые к солнцу под одним и тем же углом. В то же время есть очень простые промышленные роботы, способные корректировать уровень наклона, добиваясь оптимальной ориентации батарей, всегда под прямым углом к солнцу. Как мы не раз писали, в умеренном климате это поднимает КИУМ фотоэлементов полуторно, а разрыв летней и зимней генерации уменьшается в несколько раз. То есть только на этом можно снизить потребность в накопительных мощностях в те же полтора раза, отложив необходимость создания гигаваттных накопителей до момента, когда солнце и ветер достигнут 40% от общей генерации развитых стран.