Электроэнергетика (Дмитрий Ватолин)

Полная версия статьи (с картинками и графиками) здесь

Какое-то время назад, особенно в 90-х годах была очень популярна тема “пика нефти” (Peak oil). Термин еще в 50-х годах ввел Кинг Херберт, он предсказал, что в США добыча нефти достигнет пика между 1965 и 1970 и что мировая добыча достигнет пика к 2000 г. В США добыча нефти достигла пика в 1971 и с тех пор падает, что придало вес его мировому прогнозу.

Меня заинтересовало, а что с мировой нефтью сейчас. Выяснилось, что тут прогноз ошибся сильнее, чем на 1 год. 

Добыча нефти и газа бурно растут, уголь (единственный) падает. Гидроэнергетика растет хорошо, но медленно, атомная энергетика стагнирует, возобновляемая энергетика растет быстрее всех…

Так что, пик нефти опять откладывается? Или его в ближайшие годы не будет?

Будет. Точно будет. Но уже точно можно сказать, что по другому сценарию, не так, как думалось раньше. И нас всех это, увы, коснется.

Впрочем, обо всем по порядку…

Мир меняется. Он меняется постоянно и незаметно, но постепенно изменения накапливаются и порождают маленькие… или большие технические революции.


4 декабря прошлого года компания Тесла запустила в Австралии крупнейший в мире промышленный энергетический Powerpack battery backup. Этакий PowerBank на литий-ионных аккумуляторах, какой есть у многих для зарядки сотовых, только мощностью 100 мегаватт. Он был установлен в Hornsdale Wind Farm (Хорнсдельской ветряной электростанции) и поможет обеспечивать электричеством 30 тысяч домов южной Австралии.

Ну и что? Давайте разберем, что в этом особенного. Выше что-то было про ветряную электростанцию? Ну строят их постепенно. И? Не будем говорить про Данию, где уже половина электроэнергии генерируется альтернативными источниками. Рассмотрим старушку Германию, крупнейшую экономику Европы.


В конце октября 3 дня подряд дул хороший ровный ветер, в итоге ветроэлектростанции дали 68% всей электроэнергии страны, причем дали ее с таким избытком, что угольные станции (которые сравнительно легко загасить) снизили производство с 15,7 ГВт до 5,5 ГВт, и даже атомные — желтые на графике (которые нежелательно и небезопасно включать-выключать) на 37% сократили генерацию. Можете сходить по ссылке выше — посмотреть распределение источников энергии. В этом время цены на оптовом рынке электричества ушли в отрицательную область, что означает, что при крупной покупке электричества покупателям доплачивали за то, что они забирают электроэнергию (!). В течении 31 часа подряд доплачивали!

И было не разовое событие. В прошлом году в Германии оптовые цены на электричество уходили в отрицательную область более 100 раз(!).


Итого: в Германии периодически генерируется больше электроэнергии, чем она может потребить.

Характерно, что на цену для конечных потребителей это пока никак не повлияло, более того — пока последние годы цена электричества для конечных потребителей постепенно растет (примерно на уровне инфляции).

Цена в 29.16 центов за киловатт означает почти 20 рублей — существенно больше, чем у нас, однако легко заметить, что собственно стоимость электроэнергии (красная составляющая) — это всего 5.6 цента и она заметно сокращается в последние годы. При этом стоимость доставки (желтая) — 7.48, т.е. больше цены электроэнергии и даже немного растет (поскольку сети заставляют покупать электричество у населения, причем как раз когда у сетей и так избыток энергии). Тем не менее видно, что за последние 5 лет благодаря инвестициям в более дешевые источники энергии и обновление энергосетей если бы не дополнительные сборы на субсидии возобновляемых источников энергии — то цена бы сокращалась, даже в абсолютном выражении без учета инфляции.


Итого: В целом электроэнергия в Европе дорогая и даже продолжает дорожать, но основная причина роста — сборы на субсидии электроэнергии из возобновляемых источников.

Что же получается — собирают деньги на субсидии, за счет них поднимают цены, а смысл? Ради чего все это?

Суть очень простая, за последние 10 лет идет были опробованы разные технологии в тех же ветряках и были отобраны очень неплохие решения, которые на практике показывают крайне высокую эффективность. Выше всех остальных видов.

Если посмотреть на график ПОЛНЫХ затрат по видам производства энергии (на строительство, обслуживание и демонтаж, к примеру, очень дорогой демонтаж атомной электростанции) приведенных к количеству киловатт, генерируемых источником. Это самый интересный и самый полезный показатель, хотя считать его относительно сложно. 


Видно, что по эффективности лучше всего геотермальные электростанции, о которой широкая публика вообще мало что знает, но которые, как заметили внимательные читатели, активно используется в той же Германии, чтобы компенсировать ежедневные всплески потребления (см первый график). При этом ветрогенераторы на суше в среднем обгоняют и гидроэлектростанции (у которых большой разброс из-за разной стоимости плотин в разных местах) и даже атомные электростанции, что является серьезным достижением последних лет. И газ тут на втором месте только поскольку это это график для США, где газ относительно дешевый. Также хорошо видно, что солнечные панели отстают, хотя характерно, что лучшие солнечные панели начинают обгонять и атомные станции и гидроэлектростанции (и в прошлом году окончательно обогнали). Впрочем мы к этому еще вернемся.

Это категорически меняет приоритеты в строительстве новых электростанций. В частности, в Европе уже 2 года 100% чистых новых мощностей — это возобновляемые источники. В США в 2015 70% новых вводимых мощностей — это солнце и ветер. И дальше тенденция будет только усиливаться, распространяясь на остальные страны (в первую очередь Китай).


Итого: Крайне полезный показатель — полная стоимость расходов на источник энергии к полному количеству электроэнергии, сгенерированной источником за свой жизненный цикл. И по этому показателю промышленные ветрогенераторы и промышленные солнечные электростанции уже обогнали по стоимости электроэнергии и все классические источники.

Если уж речь зашла про солнечные батареи. У них есть существенный недостаток — начальная цена. И в первую очередь цена за ватт установленной мощности. И тут есть хорошая новость, что с 1976 по 2011 год эта цена упала примерно в 300 раз. Причем в какой-то момент в районе 2003 года экспоненциальной падение стоимости прекратилось, но тут пришли китайцы и волевым усилием в 10 раз снизили стоимость, вернув новые значения даже ниже старой экспоненты.


Интересно, что сейчас, похоже, будет очередное снижение стоимости, за счет появления солнечных батарей нового типа — устанавливаемых не поверх обычного покрытия крыши, а вместо него. Идея простая. Стоимость солнечного элемента становится настолько низкой, что в установленной батарее (внезапно) начинает становится важна стоимость основы. И если основа — собственно крыша — получаем снижение стоимости. Конечно, сейчас это актуально в первую очередь для дорогих видов покрытия типа черепичных. Те, кто в курсе, узнали крыши от Элона Маска ). Если китайцы, в очередной раз повторят технологии США и в очередной раз снизят цену (а в это легко верится) — это будет очередной прорыв, который снова вернет тренд на старую экспоненту. Или ниже.

Собственно ровно поэтому установленные мощности солнечных панелей растут по экспоненте уже третий десяток лет, несмотря на все недостатки нестабильной генерации.


Итого: Можно предсказывать с большой вероятностью, что через десяток лет появится два вида китайского профнастила (самый дешевый вид покрытия крыш) — с солнечной батареей и без. И по цене они будут отличаться не сильно.

Основное, что мешает их ставить еще больше — это наличие такой важной мелочи, как погода и облака, т.е. нестабильность новых источников энергии и их зависимость от места установки. Там, где много солнечных дней — установка солнечных батарей становится крайне интересной, а там где мало… она в силу логарифмического характера кривой также становится интересна, но с задержкой в 3-5 лет, на технологиях следующего поколения.

Интересно, что снижение себестоимости гидроэлектростанций не происходит, а стоимость энергии атомных электростанций постепенно растет (и довольно заметно) из-за повышения требования к захоронению ядерных отходов. Кроме того, сейчас уже даже развивающиеся страны начинают отказываться хранить ядерные отходы у себя. В итоге кривые идут в противоположных направлениях. Более того — они уже пересеклись и продолжают расходиться.

Вообще, если кривая на последнем графике сохранится, то 100% мировой генерации электроэнергии будет на солнечных панелях уже через 12 лет. Единственное, что этому мешает… точнее мешало, это дороговизна решений по хранению энергии. Поскольку сегодня солнце есть, завтра нет, а лампочка должна гореть. И тут на сцену выходит Элон Маск весь в белом мы вспоминаем, про установку Tesla Powerpack battery backup.

Еще десяток лет назад даже представить себе установку литий-ионных аккумуляторов в промышленных системах мог только человек с очень богатой фантазией, однако только за последние 7 лет стоимость аккумуляторов, в пересчете на хранение 1 киловатта сократилась в 5 раз (в среднем с учетом 50 производителей):

Кстати, на графике данные до 2016 года. Падение стоимости в 2017 составило 24%, что заметно больше заложенных в прогноз 19% тренда.


И есть все основания полагать, что снижение не остановится. Во-первых, только Тесла в 2016 запустила в Неваде первую очередь своей Гигафабрики, которая должна удвоить количество производимых в мире Li-Ion аккумуляторов (и одновременно примерно в 2 раза снизить их стоимость). Когда они оценили спрос после запуска, то в 2017 были анонсирована постройка еще четырех Гигафабрик Тесла. При этом аналогичные заводы строят еще несколько компаний, одновременно вкладывая изрядные средства в улучшение технологий (например, вот хорошая подборка новых технологий).

Интересно, что это с большой вероятностью кардинально увеличит как долю, так и количество перерабатываемых аккумуляторов. Дело в том, что аккумулятор — это не батарейка и их совершенно реально относительно дешево (дешевле разработки новых месторождений) перерабатывать. Проблема в масштабе. Сегодня, несмотря на все принимаемые меры, сдается и перерабатывается в лучшем случае 10% аккумуляторов (в России, увы, существенно меньше). В основном потому, что они используются в устройствах типа телефонов и ноутбуков, которые просто выкидывают при поломке. Очевидно, что уже в электромобилях (в которых аккумулятор — заметная часть стоимости машины) перерабатываться будет больший процент. А в проектах типа Powerpack battery backup перерабатываться будет 100% аккумуляторов. Что в очередной раз снизит их стоимость, поскольку гигаваттные аккумуляторные мощности будут снова идти в дело. При этом активно идет разработка других систем хранения энергии, т.е. храниться все в Li-Ion точно не будет.

Итого: Падение стоимости Li-Ion аккумуляторов ниже стоимости свинцово-кислотных сделало возможным их установку в промышленных масштабах, что снимает основной барьер дальнейшего роста установленных мощностей возобновляемых источников энергии.

Интересно, что эффективность в соотношении электроэнергии к объему (и массе) у литий-ионных аккумуляторов тоже растет, правда не по экспоненте, а линейно.


Но этот рост заметно сказывается на увеличении пробега электромобилей. При этом рост количества электромобилей в мире также растет по экспоненте (и быстрее всего растет в последние годы Китай, в котором в прошлом году доля электромобилей составила больше 2% от всех продаваемых новых машин, что означает скорость роста рынка в 2 раза быстрее, чем в США):

И это рынок который был совершенно незаметен еще в 2010, да и сегодня электромобиль заправить не так просто, что заметно сдерживает рост продаж.

В 2017 рост даже ускорился.

При этом хранение электроэнергии только в выпущенных в этом году электромобилях

Tesla будет сравнимо с дневным потреблением средней Европейской страны (а в китайских уже точно больше). В общем скоро постановка машин дома на зарядку будет заметно сглаживать дневные графики потребления. Более того — уже есть схемы, при которых можно дом запитать от электромобиля в дневное время. Т.е. даже если вы сегодня никуда не поехали и электромобиль стоит у дома — он будет экономить деньги, поскольку дом потребит какое-то заданное количество энергии по ночному тарифу. Особенно это актуально в странах, где днем активно работают кондиционеры.


Итого: Количество электромобилей прирастает фантастическими темпами (ранее было 30-40% в год, а в 2017 прирост составил 57% по сравнению с 2016), при том, что очевидно, что отрасль находится в этапе младенчества технологий, сейчас только-только происходит обкатка разных технических решений и основной переход количества в качество (увеличения характеристик и снижения цены за счет массовости производства) еще впереди.


А дальше начинаются удивительные вещи.

Во-первых, в местах, где много солнца уже сегодня становится невыгодно передавать электроэнергию (помните, сколько немцы платят за доставку энергии на графике выше?), ее выгоднее генерировать локально (причем ситуация изменилась буквально в последние годы):


Во-вторых, в местах, где большая разница цены за электричество днем и ночью (например, в Калифорнии) уже сегодня выгодно устанавливать большие домашние аккумуляторы и пользоваться днем электроэнергией по ночному тарифу. Когда Тесла предложила такие системы, то за первые 2 недели они получили предзаказов (с частичной предоплатой!) на 800 миллионов долларов. Во-третьих, стоимость локального производства и хранения электричества становится меньше стоимости централизованной генерации и передачи!

И, собственно, в Австралии, Чили и т.д. это уже произошло. Там УЖЕ становится невыгодно передавать электроэнергию, тянуть провода и т.п. Поскольку поддержка этих проводов в рабочем состоянии (чинить упавшие столбы, падающие на провода деревья, короткие замыкания, менять и обслуживать трансформаторы, оплачивать потери в этих трансформаторах и проводах) становится дороже, чем генерировать и хранить электричество локально.

Это означает, что если завтра изобретут термоядерный синтез, при котором электроэнергия волшебным образом ничего не будет стоить(что невозможно), то такая электростанция будет нерентабельна, поскольку энергию будет нерентабельно передавать и распределять. Как заметил академик Жорес Алферов, единственный ныне здравствующий российский нобелевский лауреат, если бы на развитие альтернативной энергетики было потрачено хотя бы 15% из тех средств, что мы вложили в энергетику атомную, то АЭС нам сейчас вообще были бы не нужны. Собственно более солнечным странам АЭС уже не нужны и граница рентабельности быстро движется на север. Наверное ему, как физику-теоретику, это даже несколько обидно, но такова реальность.

Да, кстати, выше было про то, что розничная цена на электроэнергию в той же Германии не падает, а даже растет. Интересно, что в текущей ситуации лишь подталкивает все больше и больше частных домов поставить солнечные батареи. И как минимум частично выйти из матрицы сетевого энергопотребления. А с новыми аккумуляторами появляется возможность вообще отключиться от сети. Сегодня это еще пока неразумно, но буквально через пару лет… )


Итого: Если и дальше аккумуляторы будут падать в цене и будут дешеветь солнечные батареи, то платить за доставку относительно дорогой электроэнергии по сети на западе потеряет смысл. В странах, где много солнца раньше, где мало — позднее. Но разница по времени будет не слишком большой.

Возвращаясь к пику нефти. Основное повышение потребления нефти на сегодня обеспечивает растущий парк легковых и грузовых машин.


Если электромобили будут быстро расти (о том, почему они будут быстро расти можно написать отдельный текст, но в качестве намека рекомендую узнать, что творится с электромобилями в Китае), то пик нефти настигнет не из-за исчерпания нефти, а из-за того, что ее потребление начнет снижаться со снижением спроса. Многие дорогие скважины (в том числе, например, сланцевая нефть), частично шельфовая нефть будет выведена из эксплуатации поскольку ее разработка становится нерентабельной. Со сланцем это уже происходит… Вот он, долгожданный пик нефти, правда совсем не такой, как предсказывалось…


И, наконец…


Глобальные выводы:

  • По сути выше были собраны не всегда очевидные тренды и сделаны выводы о весьма вероятном ходе вещей в ближайшие 10 лет. Добыча нефти скорее всего упадет не с ростом цены на нее, а с падением ее цены и ростом себестоимости добычи.
  • Для России это означает, что планировать инфраструктурные проекты исходя из высоких цен на нефть — неразумно. Как метко выразился министр нефтяной промышленности Саудовской Аравии Заки Ямани еще в 2000 году: «Каменный век закончился не потому, что в мире кончились камни. Также и нефтяной век закончится не потому, что у нас кончится нефть». И саудиты сегодня активно действуют, чтобы жить и зарабатывать в будущем. И они не зря так активно развивают, например, туризм.
  • Интересно посмотреть на проблему с точки зрения национальной безопасности. Не секрет, что все атомные электростанции и все ГЭС находятся на прицеле ядерных ракет. Более того — это удобные объекты для террористической атаки. Если направить на АЭС гражданский самолет, эффект может быть покруче 11 сентября 2001 года. В этом плане электрогенерация на солнце и ветре совершенно безопасна. Более того — если она становится распределенной, то становится крайне сложно оставить без света сколько-нибудь значительную территорию. По крайней мере до наступления ядерной зимы )
  • Вообще сама возможность получать дешевую электроэнергию дома, более того — дома заправлять машину — резко увеличивает автономность совершенно комфортного проживания. Вспоминается 21 век, описанный в романах братьев Стругацкий. Каждый человек получит возможность комфортно жить там, где ему будет удобно и заниматься творчеством в области, которая ему интересна. Как много людей воспользуются этим? Ведь матрица затягивает. Хороший вопрос.
  • Уже на протяжении примерно 5000 лет идет процесс урбанизации, т.е. переселения людей из деревни в город. Экономика города заметно эффективнее, там выше доходы людей и интенсивнее жизнь. Это притягивает. Пожалуй первыми и довольно рано минусы урбанизации осознали США, которые приняли ряд серьезных мер по деурбанизации, начиная с переноса столицы в маленький городок Вашингтон и заканчивая принятием пачки законов, защищающих возможность построения комфортной загородной жизни. В отличие от них в большинстве развивающихся стран (включая Россию) законодательство построено так, чтобы комфортную жизнь за городом построить было сложнее. Сильнее всего от этого страдает Китай, в котором смог в Пекине ужасен и где из городов уезжает много умных людей (ибо здоровье дороже). И когда они уезжают из Пекина в Калифорнию, это Китай не радует. Ровно поэтому они так вкладываются в альтернативную энергетику и ввел квоты на продажи электромобилей в стране (8% в этом году! Европейский автопроизводитель активно протестует!).
  • Можно ли сказать, что человечество настолько умно, что вот, усилиями правительств нескольких стран смогло перенаправить доходы (субсидии) и избежать плохого сценария пика нефти? Боюсь, что нет. Уровень СО2 в атмосфере почти в 2 раза превышает средний уровень за последние 800 тысяч лет. И быстрый рост прошёл за последние 70 лет под громкие споры СМИ о том, виноват ли в этом человек или нет. В любом случае, последствия повышения этого мы увидим в ближайшие десятилетия, особенно когда растает лед Гренландии и на Северном Ледовитом. Так что даже нам (уж детям и внукам точно) предстоит столкнуться еще со многими сложными вызовами.


P.S. В одном тексте невозможно рассказать про все нюансы и ответить на все вопросы. Если кто-то думает, что ионов лития не хватит на резкое увеличение производства Li-Ion аккумуляторов — погрузитесь в тему глубже. Сейчас использовано порядка 1% мировых запасов лития и даже при трехкратном росте его цены (что стимулирует добычу) стоимость аккумуляторов возрастет всего на 2%. Сложнее с кобальтом, но и с ним вопрос решаем. При том, что сейчас активно альтернативные технологии хранения энергии развиваются как никогда ранее.


Полная версия статьи (с картинками и графиками) здесь

Источник gen-russia.ru
Темы
Экология и охрана природы
Мир и общество, права человека
Наука и технологии
Территории
Europe
Россия
Поделиться