Новая модель глобальной энергосистемы

Коллектив ученых под руководством стэндфордского профессора Марка Джекобсона опубликовал в журнале One Earth новую работу «Влияние энергетических планов Нового зеленого соглашения на стабильность энергосистемы, затраты, рабочие места, состояние здоровья и климат в 143 странах».

Новая статья является продолжением исследований, проводимых группой уже 10 лет. В 2017 году мы подробно описывали предыдущую работу Джекобсона и его коллег «100-процентная чистая и возобновляемая энергия на основе ветра, воды и солнца для всех секторов. «Дорожные карты» для 139 стран мира». В значительной степени на ее основе сформулированы основные положения американского Нового зеленого соглашения.

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

Возможная структура энергопотребления в РФ к 2050 году, ГВт. Схема по материалам с сайта www.renen.ru

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 учетом эффектов для здоровья и климата). Если в системе BAU годовые общественные издержки в 2050 году составят 76,1 трлн долл., то для системы WWS требуется всего 6,8 трлн долл. в год (в долларах США 2013 года). Суммарные годовые частные издержки (затраты на энергию) снизятся с 17,7 трлн до 6,8 трлн долл. в год. Капитальные затраты на установку систем WWS в 143 странах составляют ~ 73 трлн долл. В частности, для реализации американского Green New Deal требуется примерно 7,8 трлн долл. капитальных инвестиций, но это приведет 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 млн больше долгосрочных рабочих мест с полной занятостью в США. Глобально переход на WWS создаст 28,6 млн дополнительных рабочих мест.

Модель авторов показывает, что WWS энергетическая система может существенно снизить общее потребление энергии – на 57,1% к 2050 году. 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 с 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 идет 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.

Изменение топливно-технологической структуры энергетического сектора приводит к значительному росту эффективности энергетических затрат. По этому вопросу можно дополнительно посмотреть следующую работу.

Необходимо 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 расчетная 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, а также 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.

Как мы видим на графике, для России предсказывается, что стоимость единицы энергии будет одной из самых низких в мире, несмотря на переход к солнечной и ветровой энергетике. В работе отмечается, что для крупных регионов будет характерна более низкая средняя стоимость энергии. Обширные территории позволяют лучше географически распределять, оптимизировать энергию ветра и солнца, что снижает вариабельность выработки. Кроме того, в крупных регионах, как правило, уже есть гидроэлектростанции, способные обеспечить пиковую мощность.

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, 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 дается ссылка на исследования, проделанные 11 другими группами, которые также описали возможные пути к 100-процентной 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.