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 <1) 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 24х7. 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 “24х7” 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.