Солнце 24х7: Расчет EROEI
За последние 10 лет солнечная энергетика стремительно перешла от «игрушек» к серьезнейшим проектам, и продолжение кривой этого взлета обещает в будущем тотальное доминирование этого типа генерации. Или нет? В попытках прогнозирования тут сломано немало копий и основных претензий две: солнце через облака и ночью не светит (т.е. переменчивость источника) и высокая энергоемкость производства солнечных батарей, и эта энергия не возвращается за время работы последних. (EROEI
Технически первая проблема с переменчивостью решаемая — необходимо просто построить побольше солнечных батарей и аккумулятор достаточной емкости. Однако, такой подход явно усугубляет проблему с EROEI и со стоимостью электроэнергии. Стоимость можно посмотреть в обзорах Lazard, а вот попыток просчитать EROEI для солнечной электростанции с аккумулятором я не видел. Поэтому решил посчитать сам, и получил довольно неожиданный результат, о котором в конце.
Для оценки давайте рассчитаем электростанцию с литий-ионным аккумулятором, расположенную в городе Юма, штат Аризона, США. Почему в Аризоне? Это очень хорошее место для солнечных ЭС (одно из лучших в мире) и по нему есть много информации. Если тут EROEI окажется меньше единицы, то это будет означать большие проблемы у солнца в качестве базового источника электроэнергии (на сегодня). Если же EROEI окажется выше, то с учетом анализа, который мы собираемся произвести, можно будет легко применить полученный расчет к любому месту в мире.
В Юме, кстати, расположена довольно крупная СЭС Agua Caliente Solar Project мощностью 250 мегаватт, только не 24×7. Солнечные батареи этой станции выполнены по тонкопленочной технологии из полупроводника CdTe, который отличается от кремния гораздо лучшими затратами энергии на киловатт мощности батарей, однако проигрывает по стоимости.
Литий-ионник выбран по причине явной универсальности такого решения: если гидроаккумулятор требует подходящего ландшафта, то электрохимические можно ставить фактически где угодно. На самом деле, у литий-ионных аккумуляторов в реальности есть еще пара преимуществ: возможность играть на пиковом спросе (т.к. инверторы данной системы могут практически мгновенно переключаться с зарядки на разрядку) и перспективы дешевения (за последние 10 лет цена 1 киловатт*часа литий-ионной ячейки упала с 1000 до 130 долларов).
Итак, допустим, нам нужна электростанция, выдающая 300 МВт 365 дней в году, 24 часа в день, что соответствует производству 7200 МВтч каждые сутки и 2,6 ТВт*ч э/э в год — примерно 35% от гигаваттного энергоблока АЭС. Поместим нашу СЭС »24×7» в городок Yuma, Arizona с координатами 32.69265° северной широты и 114.62769° западной долготы.
Ровно с этого места (как закончилось ТЗ и началась реализация) начинаются сложности: дело в том, что станцию можно оптимизировать по EROEI довольно здорово, например, если задаться не односуточным аккумулятором, а двухсуточным, что в свою очередь изменит оптимальный наклон батарей и т.п. и т.д. Что бы найти оптимом по настоящему, а не случайный, необходимо в этом этапе сделать нормальную инженерную проработку. К сожалению, у меня есть не так много времени, поэтому цифры EROEI получатся в итоге не самыми оптимальными, но уж что есть. Любой желающий может потом написать в комментариях и получить спредшид с почасовым моделированием, в которых я считал станцию, и улучшить результат сам.
Например, за счет дикой переразмеренности, наша станция совсем не ощущает сезонные колебания, которые достигают для широты 30 градусов примерно ±20% от среднего значения, а системно именно сезонные колебания будут определять будущее солнечной энергетики.
Кривая на графике показывает объем аккумулятора в процентах от годовой генерации, который нужен для сглаживания сезонных колебаний, если СБ сделаны «в размер». Для наших 2,6 ТВт*ч и 32 градусов северной широты нужен аккумулятор в 234 ГВт*ч — безумно много.
Начнем расчет с самого простого — «энергодохода» нашей электростанции. Как мы увидим дальше, ее электрохимический аккумулятор будет довольно большим и работать в основном с глубиной разряда меньше 50%, что обеспечивает срок жизни (для LiFePo) не хуже 10000 циклов до деградации 20% емкости. 10к циклов — это 27 с копейками лет, давайте ограничимся 25 годами до полного обновления станции, а отброшенный остаток скомпенсирует нам неучитываемую деградацию панелей и аккумуляторов.
Итак, за 25 лет станция должна по ТЗ поставить 65,7 ТВт*ч — это наш числитель в расчете EROEI. Но во сколько джоулей обойдется строительство такой станции? Давайте для начала посмотрим необходимый набор оборудования.
Для определения в самом грубом виде, сколько же нам нужно СБ и АКБ я буду пользоваться расчетом NREL Pwatts калькулятор. Он опирается на таблицу значения инсоляции солнца для нашей точки, взятую из «стандартного метеорологического года» — базы данных метеорологических параметров для территории США с гармонизированными значениями. С помощью этого калькулятора можно получить почасовые значения выработки электроэнергии с учетом углов падения солнца, рассеянного света, температуры панелей и потерь на преобразования, что и было сделано как база для дальнейших вычислений.
«Стандратный метеорологический год» — очень мощная база данных, с замерами таких тонкостей, как солнечную прямую (желтая кривая на графике) и непрямую (синяя) засветку, позволяющий точно оценивать выработку моделируемой СБ в облачные дни.
Теперь полученные данные для однокиловаттной СЭС нужно хоть как-то оптимизировать. Можно изменять соотношение между объемом солнечных батарей и аккумуляторов (чем больше солнечных батарей, тем меньше нам надо запасать энергии, чтобы пережить темные деньки, не выключаясь), а также — угол установки солнечных батарей.
Для нашей солнечной электростанции определяющими EROEI моментами будут облачные зимние дни, например 27–28 декабря в стандартном метеорологическом годе — за эти два дня КИУМ станции составит катастрофические 3,4% и полностью определяет ее переразмеренность, которая будет приводить к выработке лишней электроэнергии 95% остальных дней.
В принципе, здесь правильнее было бы взять и поменять ТЗ на более оптимальное — например,»300 мегаватт 90% времени года», тогда станция могла бы быть в несколько раз меньше, однако этот вариант мы посчитаем в следующий раз, а пока — хардкор.
Итак, угол установки солнечных панелей нужно оптимизировать не на максимальную энергопроизводительность в течении года, а на максимальную производительность в течении пары самых плохих периодов — получается 41 градус, а не самые оптимальные 32 (разница, впрочем, всего в 5% по годовой выработке).
Соотношение объема аккумулятора и солнечных батарей высчитывается чуть сложнее — как оптимум по энергии. С учетом того, что 1 электрический киловатт солнечной электростанции стоит ~14 ГДж (исследование 2016 года), а один электрический киловатт*час литий-ионных аккумуляторов — около 1,6 ГДж (исследование 2012 года).
Отсюда правило оптимизации — увеличиваем батарейку пока не достигаем ситуации, когда увеличение на 8,75 квтч уже не приводит к падению мощности солнечных панелей хотя бы на 1 киловатт.
Интересный график из статьи по энергетической стоимости аккумуляторов. В частности наиболее «энергодешевыми» оказываются гидроаккумулятор (PHS) и сжатый воздух (CAES) — по последнему, впроем все очень не просто, т.к. там используется сжигание природного газа для восстановления энергии. На правой панели показана «энергетическая стоимость» 4–12 часового всемирного хранилища.
Перебор различных сочетаний размера СБ и АКБ в выдаче Pwatts дал мне такие оптимальные значения — 2.25 гигаватт СБ и 20 ГВт*ч АКБ. При этом станция будет выдавать 300 мегаватт все 8760 часов года, а заряд АКБ только единожды упадет до 2% от полного, а в основном будет колебаться между 50 и 100%. Коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) генерирующей части плох — около 0,08 и значимым его улучшением был бы прием сетью дневных пиков хотя бы на уровне 2 гигаватт, тогда общий КИУМ получился бы около 0,2, что гораздо ближе к реальным СЭС типа той, с картинки выше.
Еще лучше было бы ограничить работу станции 330 самыми солнечными сутками года — тогда размер СБ части можно было бы уменьшить до 1,4 гигаватта, а АКБ — до 7 ГВтч. Да, у переменчивых ВИЭ есть проблемы последних процентов в энергосистеме — разница между 80% долей и 100% колоссальная с точки зрения инвестиций.
Ну и считаем EROEI. На 2.25 ГВт солнца и 20 ГВтч лития нам потребуется 64,1 петаджоулей (14×109 Дж * 2.25×106 квт + 1.634×109 Дж * 20×106 квтч) или 17,82 ТВт*ч, а EROEI оказывается равен 3.8. Людей, который в курсе дискурса вокруг солнца и EROEI это число удивляет — гораздо больше ожиданий. Да, результат неоднозначный — с одной стороны его легко повысить в несколько раз путем приема пиков солнечной генерации и уменьшением времени работы станции по году хотя бы до 90%, с другой стороны — это Аризона, одна из лучших точек на планете для солнечных электростанций.
Ну и главное, такой проект пока нереализуем с финансовой точки зрения. Даже оптимизированные 1,4 ГВт + 7 ГВТч обойдутся не меньше, чем в 4 миллиардов долларов, что даст себестоимость электроэнергии с этого объекта в 140 долларов за МВт*ч — слишком дорого. Появляющиеся в реальности «Solar&Storage» пока стараются ограничится батареей гораздо меньшего размера, обеспечивающие в основном прохождение вечернего пика + замену пикеров, т.е. газотурбинных электростанций, быстро запускаемых в случае появления незапланированных пиков потребления: понятно, что стоимость электроэнергии от пикеров весьма велика и на этом можно заработать.
Подводя итог, хочется отметить, что проведенный расчет показывает, что как минимум физика не запрещает распространение солнечно-накопительных электростанций, как минимум пока в местах с хорошей инсоляцией. Впрочем, таких мест на планете достаточно много, поэтому в ближайшие 10 лет, по видимому, такие электростанции будут массово строится.
