«Зеленый» курс: какое будущее ждет альтернативные источники энергии
Что такое альтернативные источники энергии
Возобновляемую энергию получают из устойчивых источников, таких как гидроэнергия, энергия ветра, солнечная энергия, геотермальная энергия, биомасса и энергия приливов и отливов. В отличие от ископаемых видов топлива — например, нефти, природного газа, угля и урановой руды, эти источники энергии не истощаются, поэтому их называют возобновляемыми. Только за 2019 год по всему миру установлено объектов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) общей мощностью 200 ГВт.
Виды альтернативных источников энергии
1. Солнечная энергия
Солнце — главный источник энергии на Земле, ведь около 173 ПВт (или 173 млн ГВт) солнечной энергии попадает на нашу планету ежегодно, а это более чем в 10 тыс. раз превышает общемировые потребности в энергии. Фотоэлектрические модули на крыше или на открытых территориях преобразуют солнечный свет в электрическую энергию с помощью полупроводников — в основном, кремния. Солнечные коллекторы вырабатывают тепло для отопления и производства горячей воды, а также для кондиционирования воздуха.
Солнечные панели могут вырабатывать энергию и в пасмурную погоду, и даже в снегопад. Для наибольшей эффективности их стоит устанавливать под определенным углом — чем дальше от экватора, тем больше угол установки панелей.
2. Энергия ветра
Использование ветра в качестве движущей силы — давняя традиция. Ветряные мельницы использовались для помола муки, лесопильных работ) и в качестве насосной или водоподъемной станции. Современные ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию за счет энергии ветра. Сначала они превращают кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем в электрическую энергию.
Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся технологий возобновляемой энергетики. По последним данным IRENA, за последние два десятилетия мировые мощности по производству энергии ветра на суше и на море выросли почти в 75 раз — с 7,5 ГВт в 1997 году до примерно 564 ГВт к 2018 году.
3. Энергия воды
Еще в древнем Египте и Римской империи энергия воды использовалась для привода рабочих машин, в том числе мельниц. В средние века водяные мельницы применялись в Европе на лесопильных и целлюлозно-бумажных предприятиях. С конца XIX века энергию воды активно используют для получения электроэнергии.
4. Геотермальная энергия
Геотермальная энергия использует тепло Земли для производства электричества. Температура недр позволяет нагревать верхние слои Земли и подземные водоемы. Извлекают геотермальную энергию грунта с помощью мелких скважин — это не требует больших капиталовложений. Особенно эффективна в регионах, где горячие источники расположены недалеко к поверхности земной коры.
5. Биоэнергетика
Биоэнергетика универсальна. Тепло, электричество и топливо могут производиться из твердой, жидкой и газообразной биомассы. При этом в качестве возобновляемого сырья используются отходы растительного и животного происхождения.
6. Энергия приливов и отливов
Приливы и волны — еще один способ получения энергии. Они заставляют вращаться генератор, который и отвечает за выработку электричества. Таким образом для получения электроэнергии волновые электростанции используют гидродинамическую энергию, то есть энергию, перепад давления и разницу температур у морских волн. Исследования в этой области еще ведутся, но специалисты уже подсчитали — только побережье Европы может ежегодно генерировать энергии в объеме более 280 ТВт·ч, что составляет половину энергопотребления Германии.
Как разные страны мира выполняют планы по энергопереходу
Страны по всему миру поставили себе амбициозные задачи по переходу на возобновляемую энергию. Цели стали частью и Парижского соглашения — к 2030 году решения с нулевым выбросом углерода могут быть конкурентоспособными в секторах, на которые приходится более 70% глобальных выбросов. Сделать это планируется за счет энергетического перехода — процесса замены угольной экономики возобновляемой энергетикой. В 2020 году, несмотря на пандемию и экономическую рецессию, многие города, страны и компании продолжали объявлять или осуществлять планы по декарбонизации.
Ожидается, что в 2021 году Индия внесет самый большой вклад в развитие возобновляемой энергетики. Здесь планируют запустить ряд ветряных и солнечных проектов.
В Евросоюзе также прогнозируется скачок в приросте мощностей в 2021 году. Здесь даже в условиях пандемии не забывают о Green Deal — крупнейшей в истории ЕС коррекции экономического курса. Цель проекта — сформировать в ЕС углеродно-нейтральное пространство к 2030 году. Для этого планируется сократить на 40% объем выбросов парниковых газов от уровня 1990 года и увеличить долю энергии из возобновляемых источников до 32% в общей структуре энергопотребления. Как посчитала Еврокомиссия, достичь этих задач можно будет с помощью ежегодных инвестиций в размере €260 млрд. Доля ВИЭ в энергосистеме ЕС также постоянно растет. Так, около 40% электроэнергии в первом полугодии 2020 года в ЕС было произведено из возобновляемых источников.
Китай за десять лет стал главным производителем оборудования для возобновляемой энергетики. В первую очередь, речь идет о солнечных панелях. Семь из десяти крупнейших мировых производителей солнечных батарей — это китайские компании. В целом развитие технологий удешевило стоимость строительства новых объектов ВИЭ. Это приближает планы Китая стать углеродно нейтральным к 2060 году.
Серьезных шагов в сторону энергоперехода ожидают и от президента США Джо Байдена. Он не только вернул страну в Парижское соглашение, но и заявил о том, что намерен добиться чистых выбросов парниковых газов и перехода на 100% экологичной энергии к 2050 году.
Также к 2050 году планируют использовать только ВИЭ Япония, Южная Корея, Новая Зеландия и Великобритания. Прошедший 2020 год уже стал самым экологичным для энергосистемы Великобритании со времен промышленной революции. Страна целых 67 дней смогла обходиться без угля. От традиционных источников энергии Британия планирует отказаться уже к 2025 году.
Активно развиваются ВИЭ в Испании — по прогнозам, сектор только солнечной энергетики в стране будет расти примерно вдвое быстрее, чем в Германии.
В 2020 году Шотландия получила 97% электроэнергии из возобновляемых источников. С помощью произведенной «зеленой» энергии получилось обеспечить электронужды более чем 7 млн домохозяйств. Шотландия планирует стать углеродной нейтральной уже к 2030 году.
Этот же год выбран временем полного отказа от традиционной энергетики для Австрии, а Саудовская Аравия запланировала к 2030 году получать 50% электроэнергии от ВИЭ.
Геотермальная энергия в Рейкьявике и солнечные батареи для Берлина
Отдельные города по всему миру также стремятся стать климатически нейтральными. По данным CDP, из более чем 570 городов мира, по которым ведется статистика, более 100 получают по крайней мере 70% электроэнергии из возобновляемых источников — энергии воды, геотермальной, солнечной и ветровой энергии.
В списке присутствуют такие города, как Окленд, Найроби, Осло, Сиэтл, Ванкувер, Рейкьявик, Порту, Базель, Богота и другие.
Например, Берлингтон (штат Вермонт, США) уже получает 100% электроэнергии от ветра, солнца, воды и биомассы. Вся электроэнергия Рейкьявика производится за счет гидроэлектростанций и геотермальных источников. К 2040 году весь общественный и личный транспорт столицы должен стать свободным от ископаемого топлива.
100% энергии из возобновляемых источников для швейцарского Базеля обеспечивает собственная энергоснабжающая компания. Большая часть электроэнергии поступает от гидроэнергетики и 10% — от ветра. В мае 2017 года Швейцария проголосовала за постепенный отказ от атомной энергетики в пользу ВИЭ.
Мировые столицы также не остаются в стороне. Например, Сенат Берлина утвердил план мероприятий по развитию солнечной энергетики в столице Германии «Masterplan Solarcity». В соответствии с общей стратегией развития города Берлин должен стать климатически нейтральным к 2050 году. В конце 2018 года в Берлине работали солнечных электростанций, которые покрывали 0,7% потребления электроэнергии, к 2050 году 25% энергопотребления города будут обеспечиваться за счет солнечной энергетики.
«Мы продвигаем расширение возобновляемых источников энергии в Берлине. Сейчас на рассмотрении Сената столицы находятся два законопроекта. Закон о солнечной энергии обязывает владельцев частных домов устанавливать солнечные системы на крышах. Законопроект Администрации по окружающей среде и климату сделает использование солнечной энергии в общественных зданиях обязательным уже в 2023 году. Это радикально сократит выбросы CO2 в Берлине», — рассказала руководитель фракции «Зеленые» в берлинском Сенате Зильке Гебель.
Как бизнес формирует положительный имидж, инвестируя в ВИЭ
Компании по всему миру также создают стратегии и определяют «зеленые» цели, которых они хотят достичь в течение определенного периода времени. Появилось осознание: нужно действовать ответственно и подавать экологичный пример потребителям. Конечно, использование ВИЭ может не только помочь в формировании положительного имиджа для компаний, но и снизить затраты на электроэнергию.
Так, новые серверы Facebook, а также компания General Motors будут получать энергию от солнечной электростанции. Ее строят в штате Кентукки в рамках масштабной программы Green Invest.
Химический концерн BASF будет постепенно переходить на возобновляемые источники энергии, а также планирует инвестировать в ветропарки.
Apple также ставит перед собой цель стать углеродно нейтральной. Она приобрела несколько солнечных ферм, обеспечивая устойчивую энергию для своих центров обработки данных. С 2018 года все розничные магазины, офисы и центры обработки данных Apple работают на 100% возобновляемой энергии.
Microsoft ежегодно использует более 1,3 млрд. кВт·ч «зеленой» энергии при разработке ПО, работы центров обработки данных и производства. Компания обязалась сократить выбросы углекислого газа на 75% к 2030 году.
Зеленая энергия: понятие, виды, преимущества использования
Энергетическая проблема сегодня является одной из самых актуальных для всего человечества. Традиционные источники, такие как нефть, газ и прочие ископаемые, постепенно теряют свою актуальность, становятся более дорогими и, конечно же, наносят огромный вред окружающей среде. Именно поэтому всевозможные солнечные батареи, ветровые и гидроэлектростанции, а также биореакторы становятся столь популярными сегодня. Все они относятся к альтернативным или зеленым источникам энергии, о которых и пойдет речь ниже.
Основные понятия
Главная проблема традиционных на данный момент ресурсов – это их ограниченное количество. А поскольку «аппетиты» человечества в этом отношении растут в геометрической прогрессии, уже в скором времени по мнению многих ученых Европа может столкнуться с кризисом.
Зеленую энергию также называют возобновляемой или регенеративной. Ее источники по историческим меркам считаются неисчерпаемыми. Суть указанного метода заключается в получении энергии из постоянно происходящих в природе процессов с последующим применением ее в технической сфере.
Тенденции развития зеленой энергетики вполне можно назвать обнадеживающими. Так в странах Евросоюза в период с 2004 по 2013 годы доля энергии, получаемой из альтернативных источников возросла с 14 до 25%. Важно также отметить, что ведущие мировые корпорации всецело поддерживают переход на возобновляемые источники энергии, вкладывая в эту отрасль огромные суммы. Так компания Apple является крупнейшим владельцем солнечных электростанций, которые обеспечивают работу абсолютно всех ее дата-центров. Известный производитель мебели IKEA планирует уже к 2020 году полностью отказаться от традиционных источников энергии.
Что касается отдельных государств, то наиболее активную позицию в данном вопросе демонстрирует Бразилия. Уже сегодня практически пятая часть общей потребности в автомобильном топливе в этой стране удовлетворяется с помощью биоэтанола, производимого из сахарного тростника.
Ветроэнергетика
В данном случае необходимая для сельского хозяйства и промышленности энергия добывается путем преобразования кинетического потенциала воздушных масс. Для осуществления данного процесса требуется установка специальной ветровой мельницы. Мощность последней напрямую зависит от общей площади лопастей, а также в меньшей мере от высоты конструкции.
Чаще всего описанные агрегаты устанавливаются в прибрежной зоне, которая считается наиболее перспективной в данной сфере. Интересно, что ветряные мельницы практически не требуют обычного топлива для своей работы. Подсчитано, что один генератор мощностью 1 МВт за 20 лет своей работы экономит около 92 тысяч баррелей нефти или порядка 29 тысяч тонн каменного угля.
Гидроэнергетика
Как становится понятно уже из названия, основным источником в данном случае является вода, а точнее, потенциал ее потока. Причем на сегодняшний день это наиболее часто используемый тип зеленой энергии. С одной стороны, строительство гидроэлектростанций является самым дорогостоящим, но с другой окупаются они гораздо быстрее, а себестоимость генерируемой ими энергии существенно ниже по сравнению с ветровой или солнечной.
Еще одним минусом гидроэлектростанций можно назвать тот факт, что при их строительстве приходится затапливать довольно обширные территории. А это, конечно же, влияет, и не всегда благоприятно, на состояние окружающей среды.
Наиболее активно выработкой гидроэнергии занимаются Исландия, Канада и Норвегия. А начиная с 2000-х годов их активно догоняет Китай, правительство которого считает данный вид энергии наиболее перспективным для своей страны.
Следует отметить еще и приливные и волновые станции, в работе которых непосредственное участие также принимает вода. Первые используют тот обстоятельство, что уровень морей и океанов в некоторых местах Земного шара изменяется дважды в сутки. Для извлечения энергии в устье реки устанавливается плотина с вмонтированными в нее гидроагрегатами. Второй тип станций работает за счет переработки потенциала волн, возникающих на поверхности океанов.
Солнечная энергетика
В данном случае происходит превращение электромагнитного излучения в тепло или электричество. Все существующие на сегодняшний день солнечные станции могут работать как по принципу внутреннего фотоэффекта, так и с использованием кинетической энергии пара. Последние еще называют СЭС косвенного действия. Существует несколько их типов, которые отличаются по конструкции:
Интересно заметить, что любая солнечная батарея, использующаяся в быту, относится к СЭС прямого действия. А крупнейшая из них носит название Topaz Solar Farm и расположена в Соединенных Штатах Америки. Ее мощность составляет порядка 550 МВт.
Геотермальная энергия
В данном случае в качестве носителя используется вода, добываемая из горячих источников. Подобные станции считаются гораздо более выгодными в экономическом плане по сравнению с обычным ТЭС. Это объясняется тем, что для их работы нет необходимости дополнительно нагревать воду. Чаще всего геотермальные станции устанавливаются в вулканических районах, где вода нагревается до необходимой температуры на сравнительно небольших глубинах. Наиболее оптимальный вариант – это использование носителя, полученного из гейзера. Но если таковых поблизости нет, приходится прибегать к бурению.
Биоэнергетика
В данном случае энергия, как электрическая, так и тепловая, производится из топлива органического происхождения. Последние разделяют на три поколения. К первому из них относят продукты, получаемые в результате переработки отходов. Такой вариант считается наиболее доступном, но и самым неэффективным.
К биотопливу второго поколения относят продукты, полученные путем пиролиза, то есть быстрого превращения массы в жидкость. Последнюю гораздо легче транспортировать, а впоследствии превращать в топливо для автомобилей или электростанций. Источниками описанного сырья могут выступать водоросли, а также некоторые виды культурных растений, таких как кукуруза, сахарный тростник, рапс и прочие.
Критики биоэнергетики заявляют, что из-за высокого спроса на подобное топливо, фермерские хозяйства все чаще отдают предпочтения выращиваю топливных культур.
Преимущества
Основным плюсом абсолютно всех альтернативных источников энергии является их экологичность. Другими словами, во время работы подобных станций не происходит никаких вредных выбросов в окружающую атмосферу. Даже авария на ветряной, солнечной или любой другой альтернативной электростанции приведет только к материальным потерям ее владельцев, но не станет причиной глобального экологического бедствия, как это может случиться, к примеру, с АЭС.
Также следует отметить, что установка большинства типов станций не вредит окружающему ландшафту. Если говорить о ветровых ЭС, то они занимают минимальные площади и даже могут сочетаться с некоторым другими видами хозяйственной деятельности.
Еще один неоспоримый плюс альтернативных источников энергии – их неисчерпаемость. То есть, установка любой станции будет гарантированно обеспечивать необходимым количеством электроэнергии тут или иную территорию в течение неограниченного времени.
Также существует возможность установки станции малой мощности. Она может обеспечивать энергией небольшие поселки или даже частные хозяйства.
Почему у «зелёной» энергетики сложное будущее?
Почти половина постов в нашем блоге в той или иной степени посвящена энергетике разной степени альтернативности и безальтернативности. Но чтобы строить реалистичные прогнозы о «зелёной» энергетике будущего, нужно знать ответы на неприятные вопросы. В этом посте мы сопоставим актуальные факты из области добычи и накопления электроэнергии, чтобы понять, почему мир не торопится переходить на экологичные возобновляемые источники энергии, и какие проблемы на пути «озеленения» ещё предстоит решить.
Все без исключения констатируют увеличение доли «зелёной» энергии в мире. С этим фактом не поспоришь: выработка солнечной и ветряной энергетики действительно растёт от года к году впечатляющими темпами. Значит ли это, что возобновляемые источники энергии уверенно вытесняют ископаемое топливо? Нет.
Не стоит забывать, что от года к году растёт не только зелёная энергетика, но и общемировое потребление электричества. Чтобы удовлетворить спрос, одних ВИЭ недостаточно, поэтому объёмы выработки наращивает и угольный, и газовый, и даже нефтяной сектор. То есть о развитии «зелёной» энергетики говорить можно, но о замещении ею основанной на ископаемом топливе за пределами особо прогрессивных европейских стран — нет.
Если взглянуть на выработку энергии всеми актуальными видами топлива,
оказывается, что растёт отнюдь не только «зелёная» энергетика. Приводится расчёт в «тоннах нефтяного эквивалента» — эквиваленте энергии, получаемой из тонны нефти. Источник: BP Statistical Review of World Energy 2019
EROI — настоящая стоимость энергетики
При обсуждении проектов «зелёной» энергетики разработчики в качестве аргумента указывают низкую стоимость 1 кВт·ч, которая в некоторых случаях оказывается даже меньше цены киловатт-часа, выработанного угольной электростанцией. Если всё так, почему доля угля в генерации мировой электроэнергии до сих пор составляет 40%, а на пятки ему наступает не менее ископаемый газ?
Оценивать и сравнивать стоимость электричества, полученного различными способами, наиболее корректно с помощью показателя EROI (energy returned on energy invested) — отношения полученной энергии из источника к количеству энергии, затраченной на её получение. С помощью EROI можно наиболее точно оценить перспективы источника энергии в отличие от чисто теоретического КПД или скачущей от страны к стране цене 1 кВт·ч. Например, EROI 20:1 для некоего вида топлива значит, что с каждого затраченного кВт·ч можно выработать 20 кВт·ч.
График EROI для различных видов энергетики в США. Источник: Mrfebruar / Wikipedia
EROI для каждого вида выработки может сильно меняться во времени. Он зависит от технологий добычи и переработки, разведанных запасов и сложности добычи топлива, цен на оборудование и сам энергоноситель. В начале XX века, пока нефть была легкодоступна, EROI ее добычи составлял фантастические 1200:1, а сейчас балансирует на уровне 5:1 и продолжает медленно падать. Соотношение для угля поднималось до 75:1 и опускалось до 30:1, но, что поразительно, учёные прогнозируют пик угольного EROI на середину XXI века, когда соотношение может превысить 100:1.
Теоретически EROI топлива должен быть выше 1, чтобы его использование было целесообразным. На деле же при соотношении ниже 4:1 источник энергии приходится субсидировать, иначе его использование будет нерентабельным и очень дорогим. EROI чуть выше единицы допустим только для добывающих компаний, суть заработка которых состоит лишь в извлечении ресурса и его последующей продаже — нефтедобывающие компании устроит даже соотношение 1,1:1.
EROI традиционной энергетики
Знакомьтесь, самая мощная электростанция в мире — ГЭС «Три ущелья» на реке Янцзы. Установленная мощность в 22,5 ГВт! Источник: Le Grand Portage / Wikipedia
Уголь, который сейчас кажется жутко архаичным и неимоверно грязным видом топлива, даже в Европе не собирается сдавать позиции как раз из-за высокого EROI порядка 30:1 (в США значительно выше). Удивительно, но европейским рекордсменом по объёмам потребления угля является… Германия. 61% закупаемого антрацита и 93% бурого угля в Европе идут именно на выработку электричества. При этом именно в Германии в прошлом году объем «зелёной» выработки превысил выработку от ископаемых источников. В конце 2019 года в Германии свою работу завершила Комиссия по отказу от угольной генерации, представив правительству планы и рекомендации по прекращению работы угольных электростанций к 2038 году. Сейчас в стране насчитывается 84 угольных станции, которые вынуждены сглаживать отказ от атомной генерации — к 2022 году Германия собирается закрыть все свои АЭС, хотя еще в 2000-х года на атомную энергию приходилась четверть генерации по стране.
Карта действующих угольных электростанций Германии (отмеченные чёрным работают на антраците, коричневым — на буром угле) — на них приходится четверть всей выработки по стране. Поэтому властям придется постараться, чтобы компенсировать исчезновение 48,8 ГВт генерации. Источник: CarbonBrief.org
Если уголь — очень грязное топливо, то природный газ гораздо экологичней, и именно он считается наиболее перспективным ископаемым топливом для электростанций будущего, причем его EROI в странах-импортерах составляет 20-30:1, а в газодобывающей России — не ниже 75:1, что делает газ привлекательным и востребованным. В большей степени, чем где бы то ни было, — в Германии, где отказ от угля и АЭС нужно срочно чем-то компенсировать и где одни лишь ВИЭ на это не способы.
«Зелёный» EROI
Теперь перейдем к EROI «зелёной» энергии — вот где пока всё действительно не очень весело. Проблема возобновляемых источников энергии заключается в их жёсткой привязанности к местности. Солнечные станции лучше работают недалеко от экватора, ветряные — на морском побережье, геотермальные — в зонах вулканической активности. При этом выработка на солнечных панелях прекращается ночью и сильно снижается зимой, ветряки отключают на период миграции птиц, а геотермальные станции хоть и эффективны, но их мощность чрезвычайно мала (десятки, в лучшем случае сотни МВт).
В теории ветряная энергия может быть очень дешевой и малозатратной в плане освоения, но пока один из самых лучших немецких морских (оффшорных) комплексов при установленной мощности 200 МВт дает EROI 16:1. И хотя на ветер приходится более 21% немецкой выработки, отрасль пребывает в стагнации — темп строительства новых ветряков за год упал на 80%, а мощность строящихся станций в 26 раз ниже теоретического годового прироста, который считается необходимым для стабильного замещения ископаемого топлива энергией ветра. Строгость законов и нежелание граждан иметь ветряки рядом со своими домами привели к тому, что рынок ветряной энергии в Германии достиг некоего предела, перешагнуть который будет очень непросто, — вся надежда на модернизацию генераторов с целью повышения их эффективности. Это, кстати, может понизить EROI ещё сильнее.
Мировые инвестиции в солнечную и ветроэнергетику в последнее десятилетие практически не меняются. Источник: International Renewable Energy Agency (IRENA), Frankfurt School-UNEP Centre/BNEF
Если ветроэнергетика в целом неплоха, хотя имеет свои нюансы и пределы, то с гелиоэнергетикой всё совсем тоскливо. Мы уже писали о причинах того, почему Солнце не стало универсальным источником бесконечной электроэнергии, хотя эффективные солнечные панели существуют уже более полувека. Из-за низкого КПД дешевых тонкопленочных панелей (6-8%) и необходимости строительства станций очень большой площади, а также из-за зависимости от времени суток и сезона EROI солнечной энергетики в Европе находится на абсолютно обескураживающем уровне: 1,6:1. Читатель Хабра провёл очень интересные расчеты для теоретической станции в солнечной американской Аризоне, одном из лучших мест для гелиоэнергетики, по результатам которых получил «сферический в вакууме» EROI 3,8:1.
Полностью автономные электростанции Toshiba H2One на водородных топливных элементах уже успешно эксплуатируются. Энергию для электролиза они получают от Солнца или ветра
К сожалению, с водородной энергетикой пока тоже не всё гладко. В качестве абсолютно экологичного портативного энергоносителя водород незаменим, но для его добычи приходится тратить уйму энергии, из-за чего EROI топливных ячеек ниже 2:1. Пока что единственным экономически эффективным способом добычи водорода для топливных ячеек является использование энергии Солнца или ветра. Мы уже рассказывали, как Toshiba изящно решила эту проблему своей мобильной электростанцией Toshiba H2One на топливных ячейках, которая сама для себя вырабатывает водород электролизом, получая энергию от солнечных панелей и аккумуляторов.
Необходимость хранения электроэнергии
Едва ли можно найти столь же нестабильный источник выработки электроэнергии, какими являются ветер и солнечный свет. При этом их генерация не зависит от объёма потребления в сети — ночью, пока город спит, ветрогенератор может отчаянно крутиться, вырабатывая максимум возможной мощности просто потому, что так подул ветер, а днём — в пик потребления — настанет штиль. Чтобы не терять излишки выработки и компенсировать её остановку по естественным причинам, энергию необходимо запасать. Для электростанций на ископаемом топливе ранее такой проблемы не стояло. Единственным адекватным и широкодоступным способом хранения электричества являются аккумуляторы.
Гидроаккумулирующие станции мы не берем в расчёт из-за их высокой цены и требовательности к рельефу местности. Это — схема маленькой ГЭС, закачивающей воду в аккумулирующий бассейн ночью и пропускающая её через генераторы днём. Мягко говоря, не самое простое и удобное решение. Источник: Донор / Wikipedia
Пока не существует универсального решения по накоплению больших объёмов электроэнергии в аккумуляторах. На небольших станциях, например, ветряках, можно обойтись массивом литий-ионных (литий-железо-фосфатных) батарей. Их энергоёмкость вдвое ниже, чем у массовых литий-кобальтовых аккумуляторов (120 Вт·ч/кг), но зато срок жизни составляет 2000 циклов зарядки-разрядки.
Другой разумный вариант — использование отслуживших аккумуляторов из электромобилей. Обычно потерявший 20% ёмкости аккумулятор требует замены, иначе пробег автомобиля от одной зарядки заметно снижается. Чтобы не заниматься дорогостоящей утилизацией ещё функционирующей батареи, её можно приспособить для хранения энергии от «зелёных» источников. Так поступили на стадионе «Йохан Кройф Арена» (54990–68000 зрителей) в нидерландском Амстердаме, который после перестройки в 2016–2018 годах стал полностью автономен в энергетическом плане. На крыше установлено 4200 солнечных панелей, которые накапливают энергию в 280 отслуживших аккумуляторов от Nissan Leaf. Тем не менее, стадион не полностью отказался от питания от городской сети — батареи помогают сгладить нагрузку во время вечерних событий, когда требуется сильное освещение. На одних лишь только аккумуляторах стадион бы не смог работать каждый вечер.
Просьюмерство как способ сэкономить
Как решить проблему высокой стоимости накопленного в батареях кВт·ч от ВИЭ? Можно продавать образующиеся невостребованные излишки. Благодаря накоплению энергии появилось новое явление — просьюмерство. Антоним консьюмерству (потреблению), означающий продажу услуги её поставщику. Если проще, то речь идёт о продаже потребителем накопленной в батареях энергии обратно в сеть тем, кто в ней нуждается. Допустим, вы частное домохозяйство или небольшое предприятие, имеющее собственные источники генерации электроэнергии. Часть её потребляется, часть хранится в батарейных модулях. Если наблюдается переизбыток выработки, и лишнюю энергию в прямом смысле некуда девать, её можно продать в сеть, словно вы маленькая электростанция. Вернее, не маленькая, а виртуальная — мы писали о виртуальных электростанциях и участии Toshiba в формировании этого позитивного явления.
Уже сейчас Toshiba предлагает решение для управления батареей-хранилищем: система постоянно анализирует уровень потребления или выработки, выравнивая нагрузку на аккумулятор и подключая его в моменты пикового потребления гораздо быстрее, чем это можно сделать вручную. А в будущем система Toshiba получит функцию просьюмерства — автоматической продажи энергии в сеть. Источник: Toshiba
Самой заметной реализацией проекта виртуальной электростанции является Tesla Powerwall — домашняя батарея, питаемая от солнечной панели, емкостью 6,4-13,5 кВт·ч. Потребители могут не только запасаться дешевых электричеством из сети или «бесплатным» от Солнца, но и продавать его обратно в сеть с помощью онлайн-бирж. По всему миру было продано Powerwall с общей мощностью 300 МВт·ч.
В России также был утвержден «План мероприятий по стимулированию развития генерирующих объектов на основе возобновляемых источников энергии с установленной мощностью до 15 кВт» с аналогичным Tesla Powerwall смыслом, но законодательно процесс просьюмерства пока не прописан. Продажа излишков электричества поможет немного снизить стоимость потребления «зелёной» энергии. Но опять же всё упирается в стоимость аккумуляторов — на текущем этапе развития технологий срок их окупаемости приближается к 10 годам.
Будущее прекрасно, но далёко
Вообще-то мы не хотим сеять скептицизм относительно возобновляемых источников энергии и перехода на «зелёную» энергетику в целом. Нефть конечна, стоимость её добычи постоянно растет, а на одном газе и угле экологическую обстановку не поправить. Пока человечество не подчинило себе управляемый термоядерный синтез, придется вести самые активные разработки в области «зелёной» энергии. Это очень тернистый путь, состоящий из решения сложнейших проблем: экономических, технологических и даже социальных.
Лучшее, что можно сделать в такой ситуации — продолжать во что бы то ни стало исследования, пытаясь сделать солнечную, ветряную и геотермальную энергетику ещё эффективней и ещё доступней. Процесс идёт, прогресс не в тупике, и мир медленно, но уверенно отказывается от ископаемого топлива, пока его использование не стало слишком дорогим и опасным. И мы очень гордимся, что Toshiba принимает в этих делах самое активное участие, эффективно развивая все виды альтернативной энергетики.
