Ветер, вода, солнце. Опубликована новая модель 100% ВИЭ глобальной энергосистемы

Новая статья является продолжением исследований, проводимых группой уже десять лет. В 2017 году мы подробно описывали предыдущую работу Джекобсона и его коллег «100% чистая и возобновляемая энергия на основе ветра, воды и солнца для всех секторов. Дорожные карты для 139 стран мира». В значительной степени на её основе сформулированы основные положения американского «Нового зеленого соглашения», - ElektroVesti.

В новой статье использованы обновлённые исходные данные, учитывающие прогресс в развитии ВИЭ в мире, а круг исследования расширен на четыре страны.

Дорожные карты разработаны для 143 стран мира с целью перевода их традиционных практик использования энергии для всех нужд (электричество, транспорт, отопление / охлаждение, промышленность, сельское хозяйство / лесное хозяйство / рыболовство, военное дело) на технологии ВИЭ, а именно на ветер, воду и солнце (wind-water-solar или WWS) с применением систем накопления энергии. Страны сгруппированы в 24 региона для моделирования соответствия спроса на энергию и предложения энергии (100% ВИЭ) с учётом хранения электроэнергии, тепла, холода и водорода в каждый момент времени (30-секундные интервалы) в течение трех лет. Стабильные решения (без потери нагрузки) найдены во всех 24 регионах, отмечают авторы.

Получены новые метрики для оценки частных и общественных издержек WWS по сравнению с традиционной организацией энергетики (business as usual или BAU). Хотя среднемировые частные издержки WWS на энергию (электроэнергия, тепло, холод и водородная энергия), включая хранение и передачу, на единицу энергии всего лишь на 10% ниже, чем у BAU, WWS имеет на 61% меньшие совокупные частные издержки и на 91% меньшие совокупные общественные издержки (с учётом эффектов для здоровья и климата). Если в системе BAU годовые общественные издержки в 2050 году составят $76,1 триллиона, то для системы WWS требуется всего $6,8 триллиона в год (в долларах США 2013 года). Суммарные годовые частные издержки (затраты на энергию) снизятся с $17,7 до $6,8 триллиона в год. Капитальные затраты на установку систем WWS в 143 странах составляют ~ $73 трлн. В частности, для реализации американского Green New Deal требуется примерно $7,8 триллиона капитальных инвестиций, но это приведёт к снижению частных и социальных издержек на 64% и 89% соответственно, по сравнению со сценарием BAU. В то же время такой переход создаст на 3,1 миллиона больше долгосрочных рабочих мест с полной занятостью в США. Глобально, переход на WWS создаст 28,6 миллионов дополнительных рабочих мест.

Модель авторов показывает, что WWS энергетическая система может существенно снизить общее потребление энергии – на 57,1% к 2050 г (верхний рисунок). Это объясняется более высокой эффективностью транспортных средств с электрическими двигателями и водородными топливными элементами по сравнению с машинами, работающими на ископаемом топливе; электрифицированной промышленности по сравнению индустрией, работающей на ископаемом топливе; электрических тепловых насосов по сравнению с традиционными системами обогрева и охлаждения, а также устранением потребления энергии, необходимой для добычи, транспортировки и переработки ископаемого топлива.

Как мы знаем, сложившаяся сегодня система производства и потребления энергии чрезвычайно неэффективна и расточительна. Речь идёт не о том, что энергии потребляется «много», а о том, что большая часть первичной энергии, поступающей в экономику, просто-напросто теряется в процессе переработки, доставки и работы двигателей. Посмотрите для примера на следующий график энергопотребления США:

Потери энергии составляют почти 68% !!

Изменение топливно-технологической структуры энергетического сектора приводит к значительному росту эффективности энергетических затрат. 

Следует особо отметить, что новая модель Джекобсона, несмотря на полную электрификацию всего, предполагает довольно умеренное расширение генерирующих мощностей. К 2050 году установленная мощность мировой энергосистемы в сценарии WWS должна достичь 40544 ГВт. Это меньше, чем в некоторых других исследованиях.

Одним из мифов о ВИЭ является заблуждение, что для них требуется слишком много площадей для размещения объектов. Авторы подсчитали, что под размещение объектов энергетики в системе WWS потребуется всего 0,17% поверхности суши и еще 0,48%, если учитывать расстояния между наземными ветряными турбинами — всего 0,65%.

На следующем графике показана расчётная средняя стоимость единицы энергии (LCOE) в разных странах и регионах мира в 2050 году в сценарии WWS:

Наибольшую часть затрат составляют затраты на генерацию, которая включает капитальные затраты, затраты на эксплуатацию, техническое обслуживание и вывод из эксплуатации. В порядке убывания следующие по величине затраты — на передачу и распределение; хранение электроэнергии; производство и хранение водорода; и хранение тепловой энергии.

Авторы намеренно фокусируются только на энергии ветра, воды и солнца и исключают ядерную энергетику, «чистый уголь» и биотопливо. Ядерная энергетика не рассматривается, поскольку она отличается слишком долгими циклами планирования/строительства, высокими затратами и целым набором общепризнанных рисков. «Чистый уголь» и биотопливо не включены, поскольку они вызывают сильное загрязнение воздуха.

Одна из проблем, часто обсуждаемых в связи с ветровой и солнечной энергетикой – зависимость от погоды и сезонные колебания выработки, как следствие, сложность согласования поставок энергии с потребностями энергосистемы. Модель авторов показывает, как это согласование происходит. Джекобсон и его команда обнаружили, что электрификация всех секторов фактически формирует более гибкий спрос на энергию, то есть позволяет в большей мере адаптировать потребление под выработку. Например, электромобиль можно заряжать в любое время дня и ночи или водонагреватель с электрическим тепловым насосом также может работать в «более удобное» для энергосистемы время.

Авторы отмечают, что дорожные карты, которые предлагает их исследование, не являются единственно возможными путями. В работе даётся ссылка на исследования, проделанные 11 другими группами, которые также описали возможные пути к 100% чистой, возобновляемой энергии. «Мы просто пытаемся изложить один сценарий для 143 стран, чтобы дать людям в этих и других странах уверенность в том, что да, это возможно. Но есть много решений и множество сценариев, которые могут сработать. Вы, вероятно, не можете предсказать точно, что произойдет, но вам не нужно искать иголку в стоге сена. В этом стоге сена много игл», — говорит Джекобсон.

Коментарі