Роль аккумуляции энергии при переходе на возобновляемые источники энергии

Александр Федоров, СПб

Из докладов Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) в 2014 и 2018 годах следует, что для выполнения Парижского соглашения по климату необходимо достичь углеродной нейтральности человеческой деятельности не позже середины этого века. Пути достижения этой цели известны для всех секторов экономики, включая сектора, в которых декарбонизация особенно труднодостижима. В частности, в секторе энергетики (производство электрической и тепловой энергии) и транспорта необходимо полностью прекратить сжигание ископаемого топлива (ИТ) и перейти на возобновляемые источники энергии (ВИЭ).

Такому переходу сопутствует дополнительная энергетическая задача — согласование нестабильных ВИЭ с нагрузкой. Мощность, выдаваемая большинством ВИЭ, существенно зависит от изменяющихся природных явлений. Выработка гидроэлектростанций (ГЭС) зависит от величины речного стока, который имеет как минимум сезонные колебания. Выработка ветряных электростанций (ВЭС) зависит от переменной силы ветра и прекращается, если ветер слабее определенной величины. Солнечные электростанции (СЭС) плохо работают в пасмурную погоду, каждой ночью прекращают выработку, а зимой снижают выработку в разы. Выработка приливных электростанций (ПЭС) снижается до нуля каждые шесть часов тринадцать минут. Пример неравномерности выработки электроэнергии с помощью ВЭС и СЭС в зависимости от времени суток и дня года представлен на рис. 1 (слайд 4 материала). Только производство энергии на основе тепла земли и биомассы свободно от этих проблем. Однако потенциалы гео- и биоэнергии в абсолютном большинстве стран недостаточны для того, чтобы полностью обеспечить их энергопотребности.

На проблемы неравномерности выработки накладывается проблема неравномерности потребления энергии — по времени суток, по дням недели и по времени года. А страны, нуждающиеся в отоплении в холодное время года, имеют дополнительную сложную задачу — запасти энергию на несколько месяцев отопительного сезона. В России в среднем за год на отопление затрачивается более чем в два раза больше энергии, чем на все остальные цели. На рис. 2 представлен график производства тепловой энергии в сетях центрального теплоснабжения России по месяцам 2017 года. Видно, что в декабре в России потребляется приблизительно в пять раз больше тепла, чем в июле. При использовании ископаемого топлива проблема отопления решается просто — зимой существенно увеличивается сжигание ИТ. При переходе на ВИЭ возможность такого маневрирования почти полностью прекращается. Только биомасса предоставляет эту возможность.

При полном переходе энергетики страны на ВИЭ выработка электроэнергии будет очень неравномерной во времени. На рис. 3 представлен результат расчета зависимости невязки мощности по году для Германии в 2050 году (при фактических погодных условиях 2009 года и следующих вкладах энергоисточников в общую выработку: ВЭС — 65 %, СЭС — 20 %, геотермо — 9 %, биогаз (из отходов) — 2 %). Выработка может падать приблизительно в 6 раз и возрастать в 2,5 раза по сравнению со средним значением. Для стабильной работы электросети требуется согласование вырабатываемой и потребляемой мощности. Поэтому неравномерность выработки является существенной технической проблемой. Например, сообщается, что Украина будет нуждаться в строительстве газопоршневых электростанций для компенсации скачков выработки уже в самые ближайшие годы в связи с ростом доли нестабильных ВИЭ.

Сейчас для прохождения минимумов (или даже нулей) выработки в основном применяются резервные генераторы, работающие на ИТ. Например, ветрогенераторы дублируются дизель-генераторами, которые включаются в случае необходимости. Такое сочетание уменьшает потребление ИТ и выбросы СО2, но принципиально не является безуглеродным решением. Другим современным способом сгладить минимумы является трансграничная торговля электроэнергией. Она хорошо помогает небольшой стране Дании, которая в периоды штиля покупает грязное электричество в соседних странах, а зимой отапливается в значительной мере ископаемым топливом. Но когда ВИЭ будут составлять существенную долю в энергопроизводстве всех стран, а тем более когда кроме ВИЭ других источников энергии вообще нигде не будет, такой вариант станет малоэффективным, потому что области штиля и/или пасмурной погоды обычно покрывают сразу несколько соседних европейских стран, а зимой требуются значительные дополнительные энергоресурсы на отопление одновременно всем странам. Для компенсации возрастания потребления энергии в холодный период года за счет трансграничной торговли энергией были бы необходимы перетоки электроэнергии между северным и южным полушариями.

 

Если экономический потенциал ВИЭ значительно превышает энергопотребности страны или региона, то можно создать энергетику на ВИЭ с избыточной установленной мощностью, которая бы обеспечивала успешное прохождение минимумов выработки. Такой вариант возможен в стране с небольшой плотностью населения и значительным потенциалом ВИЭ. Например, Норвегия располагает огромными ресурсами гидроэнергии, более 30 МВт*ч/год на человека. При этом разности высот уровней воды на ГЭС Норвегии огромны и позволяют запасать значительные объемы энергии. Еще благоприятней ситуация в Исландии, где на одного человека уже производится более 50 МВт*ч/год только электроэнергии из геотермальных источников и на ГЭС. Для сравнения, экономический (рентабельный) потенциал электропроизводящих ВИЭ в России на душу населения составляет около 1,5 МВт*ч/год (одна четверть текущего электропотребления в России), а весь технический потенциал — около 60 МВт*ч/год на человека. В Западной Европе с высокой плотностью населения ситуация значительно хуже. Технический потенциал всех ВИЭ в этом регионе составляет 60 % от потребляемой в настоящее время первичной энергии. Для того, чтобы покрыть свои энергетические потребности с помощью ВИЭ, Западной Европе необходимо дополнительно развивать офшорную ветрогенерацию, а также импортировать энергию СЭС из Северной Африки.

При невозможности или экономической нецелесообразности создать избыточные мощности ВИЭ необходимо запасать энергию, производимую в периоды избытка ее производства. Существуют несколько способов запасать энергию ВИЭ в масштабах страны. Они различаются эффективностью, объемами энергии, которую можно запасти и сроками хранения. На рис. 4 можно увидеть сравнение этих способов по объемам и срокам запасания энергии. Видно, что долговременное запасание энергии в объемах, необходимых для отопительного сезона, возможно только по технологии Power-to-Gas (PtG, энергия в газ) — это когда энергия запасается либо в виде водорода, получаемого в результате электролиза воды при использовании электроэнергии от ВИЭ, либо в виде синтетического газа, тоже получаемого при использовании электроэнергии от ВИЭ. Пример необходимых объемов аккумуляции энергии различными технологиями для Украины при полном переходе на ВИЭ можно найти в статье: «Для накопления энергии потребуется 0-139 ГВт*ч аккумуляторов, 9 ГВт*ч аккумулирующих ГЭС и 0-18840 ГВт*ч синтетического газа.»

Аккумуляторы могут позволить справиться только с кратковременными скачками выработки или потребления электроэнергии. Накопить энергию на отопительный сезон они не позволяют. Наглядный пример: вместо двух тонн солярки или четырех тонн угля для отопления в течение зимы небольшого сельского дома на одну семью в России нужно иметь 240 тонн аккумуляторов (три железнодорожных вагона) стоимостью 3,5 млн долларов. К тому же, эти аккумуляторы должны находиться в отапливаемом помещении. Аккумулирующие гидроэлектростанции (ГАЭС) также не могут обеспечить накопление необходимых для отопления объемов энергии в условиях равнинной России. Например, подъем уровня воды в водохранилище Чебоксарской ГЭС (площадь 1080 кв. км) запасет энергию на отопление всего 1700 домов, аналогичных вышеупомянутому. Не помогают и другие методы — например, поднимание и опускание бетонных блоков краном. Для запасания той же энергии на отопление сельского дома потребовался бы кран высотой 120 м, который оперировал бы бетонными блоками на площади 10 соток. Так что метод Power-to-Gas — единственно возможный способ аккумуляции энергии на отопительный сезон.

 

Одним из решений проблемы с отоплением в долгосрочной перспективе могут стать т. наз. «пассивные» дома, которые не потребляют энергию непосредственно на отопление. Это достигается их очень хорошей теплоизоляцией и многими другими технологиями сохранения тепла (рекуперация и т. п.). В результате для отопления пассивного дома достаточно тепла, выделяемого всеми электроприборами, а также людьми в доме. Однако, к сожалению, не представляется возможным заменить все здания на пассивные к 2050 году. Например, в Германии ежегодно проходит тепловую санацию около 1 % зданий в соответствии с нормами, принятыми на настоящий момент. Эти нормы не делают дома пассивными, но существенно снижают их энергопотребности на отопление за счет хорошей теплоизоляции и всевозможных других энергоэффективных решений. Даже на такую санацию потребуется около 80 лет (около 10 % зданий уже прошли санацию, 11 % зданий никак не утеплить, потому что они — памятники архитектуры и т. п.). В России ежегодно капитально ремонтируется до 1,5 % зданий. К сожалению, их тепловая санация осуществляется в соответствии со слабыми нормами устаревшего СНиПа 2003 года. Важным является немедленное введение строгих норм потребления тепла и их регулярное ужесточение, а также многократное увеличение количества ежегодно санируемых зданий.

 

В транспорте уже вырисовалось основное направление его декарбонизации — переход на электромобильность. Следует отметить, что более широкое использование давно известных видов электротранспорта, получающих энергию от сети и не перевозящих тяжелые аккумуляторы — трамвай, троллейбус, метро, электрифицированные железные дороги, имеет многократное энергетическое преимущество перед электромобилями и должно применяться в первую очередь. В случаях, когда использование контактной сети невозможно, — легковой автотранспорт, грузовой "по городу" и автобусы городского общественного транспорта — можно эффективно использовать аккумуляторы как способ запасания энергии.  Водный транспорт и авиация на малые расстояния (приблизительно до 200 км) с длительными стоянками на конечных пунктах для подзарядки также могут быть переведены на электричество. Грузовой автотранспорт, водный транспорт и авиация на средних и больших расстояниях на электротягу переведены быть не могут (аккумуляторы получаются слишком тяжелыми). Для этих видов транспорта выходом (способом запасания энергии) является сжиженный синтетический газ или водород, а для авиации — синтетический керосин, получаемые с помощью возобновляемого электричества. В принципе, можно было бы не переходить на электротранспорт, а производить синтетическое топливо с помощью энергии от ВИЭ для транспорта на двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Однако энергетическая эффективность полного цикла «производство синтетического топлива - его сжигание в ДВС» существенно ниже эффективности цикла «производство электроэнергии с помощью ВИЭ - использование электроэнергии в электродвигателе транспорта». Поэтому использование синтетического топлива там, где можно перейти на электротягу — неэффективное, ложное решение.

 

Следует отметить, что биотопливо (обязательно — только из отходов!) не сможет сыграть большой роли в транспорте, потому что потенциал производства биотоплива из отходов очень мал. А для обеспечения, например, только авиации биотопливом из "энергетических" сельхозкультур потребовалось бы засадить ими площадь, сравнимую с площадью континента. Самое главное, углеродный след таких топлив очень велик и составляет от 30 % в сравнении с углеродным следом ископаемого топлива (этанол из сахарного тростника в Бразилии) до 300 % (биодизель из пальмового масла в Евросоюзе). Т. е. биотопливо из сельхозкультур вообще не является климатическим решением.

Кроме расчетов, уже существует интересный и важный успешный эксперимент по полному переводу отдельного дома на ВИЭ, который моделирует энергосистему будущего. Это дом в пригороде Цюриха Брюттен (рис. 5), который полностью запитан от солнечных панелей на его крыше и стенах и вообще не подключен к электросети. Необходимо отметить, что "пассивные" дома не имеют отопительной системы, но потребляют электроэнергию от сети. А "активные" дома производят больше энергии, чем потребляют, но только в среднем. Они подключены к электросети, которая в их случае выполняет роль аккумулятора, и не могут служить моделью энергетики, полностью основанной на ВИЭ.

 

Дом в пригороде Цюриха имеет 9 квартир и его жители успешно прожили в нем уже три зимы. Вот одно из описаний этого дома: линк. В нем применены все возможные системы повышения энергоэффективности — эффективная теплоизоляция, рекуперация тепла, тепловой насос и т. п. Для запасания энергии в доме применяются три системы: (1) аккумуляторные батареи емкостью 192 кВт*ч — приблизительно на 4 дня энергопотребления, (2) баки с водородом общим объемом 120 м3 под давлением до 30 атм — приблизительно на 8 месяцев, (3) баки с горячей водой 250 м3 — приблизительно на 1 год. Водород для аккумуляции энергии применяется как более целесообразный в таких малых масштабах способ по сравнению с производством синтетического газа. Этот дом может рассматриваться как модель если не энергетики будущего, то хотя бы ее части, связанной с жилым сектором, и позволяет понять огромные масштабы необходимого запасания энергии при переходе энергетики на нестабильные ВИЭ. Следует отметить, что средняя температура января в Цюрихе составляет 0 градусов, и в более холодных странах объемы энергии, запасаемой на отопительный период, будут больше.

 

Подводя итог, можно сделать следующий общий вывод: технологии полного перевода энергетики на ВИЭ известны. Этот переход возможен во всех странах, включая страны с холодным климатом. Если не игнорировать Парижское соглашение по климату, а собираться его выполнить, то меры должны приниматься существенные и немедленно, чтобы полностью перейти на ВИЭ не позднее 2050 года. В некоторых странах, напр., в Германии, достаточно детально разработаны сценарии значительного (на 80-95 %) уменьшения выбросов парниковых газов к 2050 году и правительство утвердило план достижения этих целей (краткая версия плана на русском языке здесь). В других странах аналогичные сценарии разработаны НГО (Австрия). Для многих стран и регионов, а также для мира в целом, сценарии перехода к безуглеродной энергетике рассчитаны финским университетом LUT. Все сценарии включают расчеты необходимых объемов аккумуляции энергии, которые в случае стран с холодным климатом получаются значительными. Разработка подобного плана для России и неуклонное его выполнение — насущная задача.