Электробум. Солнечные заправки и «зеленый» бизнес

В мире начался настоящий «бум» производства и продажи электромобилей (electrical vehicle, EV). В Украине за 2019 год рынок легковых электромобилей вырос почти на треть, а коммерческих — в 1,5 раза.

В ежегоднике Electric Vehicle Outlook 2019, который выпускает Bloomberg New Energy Finance (BNEF), прогнозируется, что к 2040 году общее количество пассажирских электромобилей вырастет до 508 миллионов, при этом, темпы мировой электромобилизации во многих странах будут тормозиться инфраструктурными факторами.

Рис. 1. Прогноз роста количества электромобилей в мире 2020-2040. Источник: BloombergNEF Electric Vehicle Outlook 2019.
Рис. 1. Прогноз роста количества электромобилей в мире 2020-2040. Источник: BloombergNEF Electric Vehicle Outlook 2019.

В 2018 году в мире насчитывалось около 5 миллионов EV. По данным специалистов Международного энергетического агентства, более 90% мирового автопарка по-прежнему работает на нефтепродуктах. Однако, согласно прогнозов крупных инвестбанков, к 2030 году удельный вес электромобилей на планете составит около 32%, а к 2040 году – возрастёт до половины мирового автопарка (930 миллионов EV).

В 2019 году наблюдался рост продаж у Tesla, BAIC Group, BMW и Hyundai, которые значительно увеличили свою долю на мировом рынке электромобилей.

Рис. 2. Рост рынка электромобилей за 2013-2018 года. Источник: Ukraine Economic Outlook.
Рис. 2. Рост рынка электромобилей за 2013-2018 года. Источник: Ukraine Economic Outlook.

Главный драйвер EV-бума – уменьшение стоимости всех видов ESS (систем хранения электроэнергии), в т.ч. работающих вместе с PV-источниками. В BNEF ожидают цену готовой батареи для ESS всех видов <$100 за 1 кВт·ч еще до 2026 года, а их элементы подешевеют до <$100 за 1 кВт·ч еще раньше:

«Цены на аккумуляторы будут продолжать падать. В результате мы ожидаем паритет цен между электромобилями и классическими автомобилями с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) к середине 2020-х годов в большинстве сегментов, хотя между географическими регионами и сегментами транспортных средств существуют большие различия», – Electric Vehicle Outlook 2019.

Падение фактических цен на ESS и, прежде всего, на Li-ion батареи будет особенно быстрым во второй половине 20-х годов, а до 2030 цены снизятся ещё минимум на 70%. При этом емкость батарей возрастет в разы.

Уменьшение стоимости EV-батарей и всех видов ESS приведет к снижению цены электрокаров, и они уже в 2025-29 годах в большинстве стран станут дешевле, чем авто с ДВС. Большую долю новых продаж займут именно EV, вытеснив даже гибридные авто (PHEV).

К 2040 году ожидается практически полное вытеснение традиционных АЗС. К этому времени EV заместят электричеством потребление 8 млн. баррелей в день углеводородного жидкого топлива, и это прибавит 5% к мировому потреблению электричества. В BNEF, например, считают, что к 2040 году в Европе 13% потребления всей электроэнергии придется на EV, в США – 12%.

Рис. 3. Изменение стоимости Li-ion аккумуляторов общего назначения. Источник: BloombergNEF Electric Vehicle Outlook 2019.
Рис. 3. Изменение стоимости Li-ion аккумуляторов общего назначения. Источник: BloombergNEF Electric Vehicle Outlook 2019.

Подобные выводы сделали и в Международном энергетическом агентстве (IEA) в своем отчете «IEA Global EV outlook 2018». Полностью меняется мировая инфраструктура техобслуживания и обеспечения энергией парка EV.  Коммунальные предприятия, операторы пунктов зарядки, производители оборудования для зарядки и другие заинтересованные стороны в энергетическом секторе также увеличивают инвестиции в инфраструктуру зарядных станций.

EV пока еще не «озеленяет» энергопотребление

Нынешняя ситуация такова, что применение EV вместо авто на ДВС не «озеленяет» энергопотребление, а просто переводит фокус с одного вида энергии на другой. Сейчас EV, получающие энергию из обычной электросети, фактически, поддерживают «ископаемую» энергетику. Поэтому ныне «углеродный след» от электромобилей все еще достаточно велик.

Глобальный переход на ВИЭ означает, что основным источником питания для EV должны стать солнечные и ветровые генераторы. Собственно, так это и задумывалось. Еще в 2013 году Илон Маск, рассказывая о планах постройки сети станций для быстрой зарядки своих Tesla-S, отмечал, что важнейшей их особенностью станет объединение с обычной энергосистемой в «smart-grid» сеть. Зарядные станции должны стать «буфером» для энергосистемы.

Рис. 4. Пример инфраструктуры для питания возобновляемой энергией станций зарядки электромобилей. Источник: Grand River Energy Solutions Corp.
Рис. 4. Пример инфраструктуры для питания возобновляемой энергией станций зарядки электромобилей. Источник: Grand River Energy Solutions Corp.

Наличие достаточно мощной ESS (скажем, на 0,5 МВт·ч) рядом с зарядной станцией должно не просто сглаживать всплески энергопотребления, но будет поглощать и всплески генерации от ВИЭ. Маск отмечал, что оснащение EV-чарджеров PV-модулями и «умными» ESS, включенными в единую систему диспетчеризации энергосетей, позволит не просто сгладить неравномерность от ВИЭ-генерации и пики потребления, но и позволит осуществлять дополнительные сервисы для общей энергосистемы, такие как стабилизация частоты.

Как ни парадоксально, но именно наличие сети «умных» ESS с PV-модулями на EV-зарядках поможет решить проблему небалансов генерации на локальном, региональном и национальном уровнях и «озеленить» применение EV.

Балансирование энергосетей

Грядущая массовая электрификация транспортных средств – еще больший вызов для стабильного функционирования энергосетей, чем проблемы от перехода на ВИЭ с присущей им неравномерностью выработки электроэнергии, в частности, как у солнечной электрогенерации. Сами по себе электромобили (EV), при сохранении нынешней модели их электроснабжения, не улучшают ситуацию с небалансом «генерация/потребление». Даже модели V2G (vehicle-to-grid), предполагающие возможность использовать емкость аккумуляторов EV для резервного питания домохозяйств и локальных off-grid хозяйств, могут разве что несколько сгладить ночной провал потребления (заряжая свои аккумуляторы ночью по льготному тарифу), но мало помогут в компенсации неравномерности дневной ВИЭ-генерации.

Применение EV «вытесняет» углеводороды с рынка энергоносителей для транспорта. Это огромные, многомиллиардные суммы. Комбинация зарядки от солнечной энергии и электромобиля – ключ к резкому сокращению зависимости страны от ископаемого топлива. Однако почти половина стоимости зарядных EV-станций пока приходится на системы хранения электричества (ESS), другая – на оснащение их PV-генерацией.

Тем не менее, из-за ожидаемого снижения стоимости ESS, объединение EV-чарджеров с PV-модулями и ESS в «умную» сеть, интегрированную с общей энергосистемой, может стать привлекательным и по-настоящему «зеленым» бизнесом.

Такие решения способны, помимо расширения доли применения ВИЭ, решить проблему небалансов и стабильности частоты в энергосистеме. Эти «дополнительные» сервисы могут приносить владельцам станций равную, если не большую часть дохода по сравнению с непосредственным заряжанием EV и продажей избытка электроэнергии в сеть по «зеленому тарифу».

«Плюс электрификация всех АЗС страны…»

Электромобилизация требует примерно в 2-3 раза большей плотности сети станций для подзарядки EV, чем нынешнее распределение АЗС. Это совершенно новый быстрорастущий сегмент бизнеса с применением новейших технологий.

Группа CleanTechnica в своем отчете «Electric Car Drivers Report Surveys 2019» определила потребительские предпочтения и средневзвешенное «ожидание» оптимального запаса хода EV до полной разрядки батарей – около 320 км (тогда как в 2016 году ожидания были скромнее, от 165 до 170 км). Также важным для всех групп респондентов стало наличие функции быстрой или сверхбыстрой зарядки батарей.

Перевод EV-чарджеров на работу от ВИЭ существенно снизит общий мировой уровень парниковых выбросов минимум на 13–17%. Лидер предпочтений здесь есть и будет PV-генерация.

Естественный симбиоз

Всего 10 PV-панелей (это сопоставимо со средним навесом над одним авто на парковке) могут обеспечить достаточно электричества для пробега EV от 14 000 до 21 000 км в год. Этого недостаточно для ожидаемого среднегодового пробега легкового EV (порядка 100 000 км). Для «озеленения» углеродного следа от EV понадобятся еще источники энергии, например, локальные малые PV-СЭС.

Будучи подключенными в общую сеть (локальные и региональные on-grid схемы), системы хранения электроэнергии (ESS) для зарядных PV-станций и PV-навесов на стоянках станут мощнейшим средством решения проблемы сглаживания суточной и сезонной неравномерности не только PV-станций, но и генерации из ВИЭ в целом.

Рис. 5. «Облачные» модели оптимизации работы PV-зарядных станций для EV и взаимодействия их систем хранения с общей электросетью: слева от GM, справа – ABB.
Рис. 5. «Облачные» модели оптимизации работы PV-зарядных станций для EV и взаимодействия их систем хранения с общей электросетью: слева от GM, справа – ABB.

Решения для этого уже имеются и даже внедряются. На рис. 3 показаны схемы PV-заправок с мощностью порядка 50 кВт, реализуемых GM и ABB, предполагающие оптимизацию уровня накопленной энергии для быстрой зарядки EV с учетом их маршрутов, плотности трафика, заряженности батарей у движущихся EV, интенсивности локальной PV-генерации, запаса заряда в ESS на данной станции и на соседних. Благодаря интеллектуальному ПО они регулируют степень выдачи PV-энергии в общую электросеть и ее количество, направляемое для локального хранения.

Компьютерные экономико-энергетические модели показали, что EV-зарядки без ESS, использующие энергию из обычной сети – пагубным по сути (см. рис. 3), потому что увеличивают дневной пик и усугубляют ночной «провал» потребления в энергосистеме (не говоря о том, что они просто используют невозобновляемую энергию).

«Зеленые» PV-зарядки, даже с локальными ESS, но которые не включены в сеть (off-grid) – экономически неэффективны. Они не могут оптимально использовать дневной переизбыток собственной генерации для общих нужд (продажа в сеть) и, фактически, неоправданно увеличивают плановый срок возврата инвестиций (Pay-Back Period).

Оптимальные модели функционирования ESS для EV предусматривают, что дорожные «заправки» будут использоваться для быстрого «доливания» энергии в дороге до уровня, чтобы не «опрокинуть» его аккумулятор и добраться до места, где можно зарядиться полностью (см. рис. 3).

Схема «on-grid» сети PV-чарджеров с ESS и автоматическим обменом информацией о балансе «генерация/зарядка/хранение» с другими EV-заправками на локальном или региональном уровне является самой оптимальной схемой, хотя она пока и кажется затратной (из-за стоимости ESS). Эта же схема становится способом решения проблемы сглаживания суточной и сезонной генерации и небалансов на региональном и национальном уровне.

Из-за огромной суммарной распределенной мощности (потенциально это ~15% от мощности всей энергосистемы) объединенные в сеть локальные маломощные хранилища PV-электричества на EV-заправках способны поглотить пиковый переизбыток генерации из всех видов ВИЭ (не только солнечной) и стать стабилизатором энергосистемы и в ночные периоды.

Системы с «облачной» диспетчеризацией (см. рис. 3) предполагают, что к началу интенсивного дорожного трафика утром ESS-станция должна быть заряженной (если надо – по ночному тарифу из сети). PV-панели на зарядных постах или на навесах автостоянок используются, прежде всего, для пополнения ESS на EV-станции, и лишь затем для выдачи электроэнергии в общую сеть. Подключение к общей электросети восполнит дефицит мощности заряда на самой станции. Наличие сети управляемых распределенных ESS на «заправках» (при их достаточной суммарной емкости) способно в национальном масштабе решить проблему своих и чужих «небалансов» ВИЭ-генерации, за что законом уже предусмотрены штрафы, и откорректировать несогласованность графиков генерации.

Парадоксы «зеленого» тарифа

«Зеленый тариф» (ЗТ) был задуман для тарифной мотивации ускоренного перехода на ВИЭ, в т.ч. PV-системы. Вся «зеленая» энергия поступает в общую электросеть, а энергия, потребляемая из сети, оплачивается по общему тарифу – именно так это работает в других странах.

По украинской же модели по ЗТ оплачивается только т.н. «сальдо», т.е. превышение ВИЭ-генерации в общую сеть над потреблением локального объекта на собственные нужды. То есть, все собственное потребление и временные перетоки, фактически, обходятся самому производителю PV-энергии по «зеленому» тарифу.

И что же получается? Что сейчас самые «денежно привлекательные» EV-чарджеры – это те, которые просто сосут электричество из обычной «не зеленой» сети и оставляют за собой жирный «углеродный» след. PV-заправки без ESS станут экономически оправданы только, когда себестоимость PV-электричества станет ниже тарифа «из розетки». А PV-станции с ESS, работающие по нынешней украинской модели ЗТ, будут совершенно не заинтересованы брать на себя функции поглощения чужих пиков перегенерации, устранения небалансов, ликвидации ночного провала потребления.

PV-станции с ESS вообще не заинтересованы физически объединяться в общую сеть с единой диспетчеризацией и совместно координировать свой режим на информационном уровне. Потому что компенсационные перетоки будут расцениваться как внешнее потребление, и будут обходиться каждой из них, фактически, по «зеленому тарифу».

Нынешняя модель и особенности функционирования ЗТ в Украине препятствуют созданию широкой сети зарядных постов для EV, работающих от экологически чистых PV-станций, и не способствуют использованию сети из локальных ESS в качестве резервных компенсационных мощностей регионального и национального масштаба.

Как создать условия для развития солнечной генерации и при этом решить проблему компенсации ее суточной и сезонной неравномерности за счет создания широкой распределенной сети относительно небольших хранилищ энергии – нужно предусмотреть уже сейчас. Это только вопрос сбалансированного тарифного регулирования и учета фактических потоков от PV-генерации и потребления, выгодного участникам рынка – на собственные нужды или для предоставления аутсорсинговых услуг в качестве распределенных компенсационных мощностей и стабилизаторов частоты в энергосистеме.