«Малая енерготранзиция»

Экспертное мнение пока одно — нас ожидает глобальная электрификация от перехода на ВИЭ и связанные с ней преобразования инфраструктуры во всех сферах. Самым мощным драйвером этих процессов станет дальнейшее развитие солнечной электрогенерации. Параллельно с «большими» изменениями будет происходить «малая энерготранзиция» — тотальный рост потребления электроэнергии в жилье и быту. Какие явные и скрытые факторы будут побуждать к таким изменениям?

Фото: PV-ферма с модулями, оборудованные трекерами - устройствами слежения за солнцем.
Фото: PV-ферма с модулями, оборудованные трекерами - устройствами слежения за солнцем.

Тотально електрофицированное будущее

По данным отчета IRENA «Renewable Power Generation Costs in 2018», за прошедшие годы стоимость PV + CSP установок и энергии с них последовательно уменьшались, зато росло число и установленная мощность (см. рис. 1). Это происходило глобально и во всех ведущих странах, где солнечная генерация занимает наибольшую долю. Тенденции, связанные с синергией от использования недорогого ВИЭ и электрификацией, продлятся и в дальнейшем и мощно изменят образ жизни.

Рис. 1. Глобальные общие средневзвешенные затраты на единицу установленной мощности, коэффициенты роста мощности и средневзвешенная стоимость электроэнергии на PV-установках ПО и тенденции стоимости энергии на PV-станциях в коммунальном секторе в выбранных странах, 2010-2018. Источник: отчет IRENA «Renewable Power Generation Costs in 2018», май 2019.
Рис. 1. Глобальные общие средневзвешенные затраты на единицу установленной мощности, коэффициенты роста мощности и средневзвешенная стоимость электроэнергии на PV-установках ПО и тенденции стоимости энергии на PV-станциях в коммунальном секторе в выбранных странах, 2010-2018. Источник: отчет IRENA «Renewable Power Generation Costs in 2018», май 2019.

Прогнозы роста доли электричества в конечном потреблении энергии приведены на рис. 2. Эти данные охватывают текущие результаты и ожидания от ускоренного сценария развития энергетики к 2050 г. Потребление электричества в общем возрастет к 2050 г. с нынешних 20% до почти 50%. Это произойдет в основном за счет роста доли ВИЭ в общей электрогенерации — почти в 3,5 раза. К 2050 г. 86% производства электроэнергии будет возобновляемым, при этом 60% будет поступать от солнечных и ветровых станций — в 2050 г. они будут иметь установленную мощностью> 8500 ГВт и> 6000 ГВт соответственно. Стоимость ВИЭ-установок и электроэнергии, добытой на них, существенно упадет — для PV-электрики, например, почти в два раза.

Электричество к 2050 г. становится основным видом энергии, см. рис. 3. Доля потребляемой электроэнергии в промышленности и строительстве увеличится вдвое. На транспорте эта доля повысится с 1% сегодня до более 40% к 2050 г., т. е около 70% всех средств передвижения пассажиров и грузовых автомобилей будут питаться электроэнергией. В целом количество электрических транспортных средств в 2050 г. достигнет > 1 млрд.

Рис. 2. Дорожная карта до 2050 года: изменения основных показателей глобальной энергосистемы для перехода на новую энергетику. Источник: отчет IRENA «Global Energy Transformation: A Roadmap to 2050
Рис. 2. Дорожная карта до 2050 года: изменения основных показателей глобальной энергосистемы для перехода на новую энергетику. Источник: отчет IRENA «Global Energy Transformation: A Roadmap to 2050", апрель 2019.

Кроме того, около 8% доли конечного потребления энергии придется на возобновляемый водород (в том. ч., используемый как сырье в промышленности) и другое транспортное топливо. Как было обосновано в специальных исследованиях, в общем к 2050 г. будет потребляться 19 ЭДж энергетического водорода.

Развитие биоэнергетики также является важной составляющей енерготранзиции. Кроме роста доли жидкого биотоплива на транспорте, биоэнергетика будет играть существенную роль в отраслях, где технологии возобновляемой энергии менее пригодны, например, некоторые виды высокотемпературного технологического тепла в промышленности. Биопродукты станут ключевыми в химической и нефтехимической отраслях, где для производства ценных химических соединений они будут использоваться и как тепло, и как сырье. Первичный спрос на биоэнергетику по сравнению с нынешним уровнем увеличится вдвое — примерно до 125 Эдж к 2050 г. Объем рынка жидкого биотоплива в 2050 г. вырастет в 4 раза — с ежегодного потребления 130 млрд. л на сегодняшний день до 652 млрд. л в 2050 г.

Рис. 3. Потребление электроэнергии в различных отраслях (ТВт • ч,%), распределение в производстве электроэнергии (ТВт • ч / год) и установленная мощность производства электроэнергии (ГВт) по виду энергоресурса. Распределение общего конечного потребления энергии (TFEC) по основным отраслям и энергоносителями, (ЭДж,%). Скорректированный сценарий, 2016-2050 г. Источник: отчет IRENA «Global Energy Transformation: A Roadmap to 2050
Рис. 3. Потребление электроэнергии в различных отраслях (ТВт • ч,%), распределение в производстве электроэнергии (ТВт • ч / год) и установленная мощность производства электроэнергии (ГВт) по виду энергоресурса. Распределение общего конечного потребления энергии (TFEC) по основным отраслям и энергоносителями, (ЭДж,%). Скорректированный сценарий, 2016-2050 г. Источник: отчет IRENA «Global Energy Transformation: A Roadmap to 2050", апрель 2019.

Электрическая энергосистема с каждым годом все больше изменяет взаимодействие сферы производства энергии и спроса. Соответствие сбыта/предложения большого количества энергии от изменяемых источников возобновляемой энергии (VRE) потребует разумной цифровизованной и гибкой энергосистемы, чем есть сегодня, в значительной степени за счет большей доли распределенных источников энергии, мгновенной торговли электроэнергией и реагирования на спрос.

 

«Скрытые» факторы «малой транзиции»

Прогнозы, основанные на новейших данных и корректируемых трендах, выглядят довольно логично и последовательно, они подтверждают тенденции, выявленные ранее. Однако это не полностью объясняет, почему именно произойдет рост потребления электричества буквально по всему миру. В конечном использовании электроэнергии 86% в 2050 г. будет поступать из ВИЭ (24% в 2016) в т.ч. для отопления/охлаждения эта доля составит 77% (по сравнению с 9%), рис. 3.

Едва ли не главным драйвером так называемой «малой транзиции», то есть тотального увеличения доли электроэнергии для жилья и бытовых нужд, является глобальное потепление. За последние годы, если не десятилетия, можно было услышать много критики по этому поводу, Само наличие глобального потепления ставилось под сомнение. Однако публикация Всемирной метеорологической организации (World Meteorological Organization), датированная 1 августа 2019, расставляет все на свои места. Уровень температур в июле 2019 г. является самым высоким за всю историю метеорологических наблюдений см. рис. 4.

Рис. 4. Карта температуры земной поверхности, °С, 25 июля 2019 г. Источник: публикация World Meteorological Organization «July matched, and maybe broke, the record for the hottest month since analysis began», 1 августа 2019 г.
Рис. 4. Карта температуры земной поверхности, °С, 25 июля 2019 г. Источник: публикация World Meteorological Organization «July matched, and maybe broke, the record for the hottest month since analysis began», 1 августа 2019 г.

В этом году 25 июля Бельгия, северная Германия, Люксембург, Нидерланды и Великобритания переписали новые национальные рекорды температуры — здесь впервые зафиксировано температуры выше 40 °C. Во Франции, в Париже, в этот день в 16:32 была зафиксирована температура 42,6 °C. 28 июня во столицы Финляндии Хельсинки зафиксирован новый рекорд 33,2 °C, а на юге страны наблюдалась «тропическая» температура 33,7 °C. Эти данные горячего лета 2019 г. заставят скорректировать карту повышения температуры с 2016 до 2050 г., которая была выдана ранее июля 2019 г. см. рис. 5. На этой карте обозначены CCD — количество суток, когда дополнительно потребуется кондиционировать воздух в жилых и коммерческих помещениях по сравнению с уровнем 2016 г. Для нашей страны, например, это придаст 100-150 условных суток использования кондиционеров.

Рис. 5. Увеличение количества CDD относительно исторических CDD за широтами, 2050 г. относительно 2016 г., базовый сценарий. Источник: отчет IEA / OECD «The Future of Cooling», 2018 г. (с изменениями 2019 г.).
Рис. 5. Увеличение количества CDD относительно исторических CDD за широтами, 2050 г. относительно 2016 г., базовый сценарий. Источник: отчет IEA / OECD «The Future of Cooling», 2018 г. (с изменениями 2019 г.).

Температурные изменения на планете, даже при самых оптимистических сценариях, к 2050 г. существенно увеличат количество кондиционеров и повлияют на распределение энергии для жилья и быта см. рис. 6. К 2050 г. около 2/3 домохозяйств в мире будут иметь хотя бы один кондиционер. Без действий касательно повышения энергоэффективности спрос на энергию для охлаждения помещений будет составлять почти 40% прироста электроэнергии в домах (более 20% глобального прироста потребления электроэнергии).

Рис. 6. Распределение роста конечного спроса на электроэнергию в домах к 2050 г. (%) и прирост количества кондиционеров воздуха по странам (млрд. ед.). Источник: презентация «Opportunities for energy-efficient air conditioning», ноябрь 2018 г., «IEA Energy Efficiency Division».
Рис. 6. Распределение роста конечного спроса на электроэнергию в домах к 2050 г. (%) и прирост количества кондиционеров воздуха по странам (млрд. ед.). Источник: презентация «Opportunities for energy-efficient air conditioning», ноябрь 2018 г., «IEA Energy Efficiency Division».

Но и здесь есть факторы, которые существенно деформируют «среднюю картину» по обобщенным картам. Они не учитывают так называемый «эффект тепловых островов», см. рис. 7, по которому температура в городской застройке примерно на 3-3,5 ° С выше, чем в пригороде.

Глобальная урбанизация происходит давно и, как ожидается, продлится в течение ближайших десятилетий. Доля мирового населения, проживающего в городах, выросла с 43% в 1990 гг. до 54% ​​в 2016 г. Но, по прогнозам ООН, в 2050 г. количество городского населения в мире достигнет 66%. Это соответствует увеличению нынешнего городского населения на 2,4 млрд. человек, или на 60%. Каким образом эти люди распределятся по городам и как они будут охлаждать свои дома пока точно неизвестно, но растущие города, безусловно, будут способствовать усилению эффекта теплового острова и росту общих потребностей в охлаждении. Таким образом, энергии, нуждаемой в поддержку микроклимата, понадобится еще больше.

Рис. 7. Иллюстрация влияния «теплового острова» в центре и в пригороде. Источник: отчет IEA / OECD «The Future of Cooling», 2018 г. (с изменениями 2019 г.).
Рис. 7. Иллюстрация влияния «теплового острова» в центре и в пригороде. Источник: отчет IEA / OECD «The Future of Cooling», 2018 г. (с изменениями 2019 г.).

Климатические факторы ускорят темпы «малой транзиции», которая будет в первую очередь ориентирована на увеличение потребления электроэнергии из-за кондиционеров, но потребность в ней создаст условия для увеличения электрификации во всех «смежных» бытовых и коммунальных отраслях — для отопления, водоснабжения и ГВС, приготовление пищи и т.п., см. рис. 8, включая возможности подключать дополнительную мощность (например, для зарядки электрокаров).

 

Рис. 8. Факторы влияния и структура конечного спроса на электроэнергию для жилья и в быту, ТВт • ч, 2016-2050. Базовый сценарий. Источник: отчет IEA / OECD «The Future of Cooling», 2018 г. (с изменениями 2019 г.).
Рис. 8. Факторы влияния и структура конечного спроса на электроэнергию для жилья и в быту, ТВт • ч, 2016-2050. Базовый сценарий. Источник: отчет IEA / OECD «The Future of Cooling», 2018 г. (с изменениями 2019 г.).
Рис. 9. Меры по ускорению имплементации глобальной и малой енерготранзиции по секторам экономики, ТВт • ч/год, ЭДж / год, 2016-2050. Источник: отчет IRENA «Global Energy Transformation: A Roadmap to 2050
Рис. 9. Меры по ускорению имплементации глобальной и малой енерготранзиции по секторам экономики, ТВт • ч/год, ЭДж / год, 2016-2050. Источник: отчет IRENA «Global Energy Transformation: A Roadmap to 2050", апрель 2019.
Рис. 10. Потребление ископаемой энергии и ВИЭ в зданиях, промышленности и транспортном секторе; базовый и ускоренный сценарии, 2016 и 2050 гг. (ЭДж/год). Финансовые выгоды от ускорения енерготранзиции по сравнению с расходами - уменьшение системных затрат (инвестиций, эксплуатационных расходов), экономия субсидирования за период 2016-2050 гг. ($ трлн.). Источник: отчет IRENA «Global Energy Transformation: A Roadmap to 2050
Рис. 10. Потребление ископаемой энергии и ВИЭ в зданиях, промышленности и транспортном секторе; базовый и ускоренный сценарии, 2016 и 2050 гг. (ЭДж/год). Финансовые выгоды от ускорения енерготранзиции по сравнению с расходами - уменьшение системных затрат (инвестиций, эксплуатационных расходов), экономия субсидирования за период 2016-2050 гг. ($ трлн.). Источник: отчет IRENA «Global Energy Transformation: A Roadmap to 2050", апрель 2019.

Это, в свою очередь, станет стимулом для развития местной электрогенерации (в т. ч. BIPV) и малых распределенных сетей, также и в городах. Хорошей новостью в этом является то, что пиковое потребление электроэнергии для охлаждения почти полностью соответствует суточному пику генерации на PV-установках, а следовательно потребности энергии для кондиционирования могут быть перекрыты той PV-энергией, которая пока считается избыточной — перегенерация от PV-VRE — и такой, как сейчас считается, что потребует компенсаторов в виде устройств накопления, диспетчеризации и балансировки энергии.

Выгода от преобразований

Параллельно с факторами увеличения спроса на электричество, будут происходить процессы технического совершенствования потребляющих устройств, повышение энергоэффективности и тому подобное. Прогнозы относительно путей решения проблем большой и отчасти малой енерготранзиции приведены на рис. 9.

Использование электрогенерации из ВИЭ является ключевым для уменьшения выбросов CO2, связанных с энергией. Даже умеренное развитие в направлении электрификации с ВИЭ ведет к достижению более 70% сокращения выбросов; 60% сокращение выбросов будет достигнуто за счет ВИЭ и электрификации транспорта (частного и общественного) и производства тепла/холода в зданиях.

Но кроме экологических факторов, существует прямая выгода от устремлений по ускоренному внедрению ВИЭ и енерготранзиции см, рис. 10. Замедление перехода на энергетику нового типа будет стоить немалую сумму человечеству, измеряемую в сотнях триллионов долларов США.