Опережающее развитие солнечной и ветровой энергетики – одна из основных тенденций в современной мировой экономике. Согласно последнему прогнозу Международного энергетического агентства (МЭА), доля солнечной и ветровой энергетики в производстве электроэнергии к 2050 году достигнет 40-68% в зависимости от сценария. Для сравнения, доля атомной энергетики снизится во всех четырех сценариях МЭА с нынешних 10% до 8%.

         Аналогичные прогнозы роста генерации на основе солнца и ветра дают практически все аналитики, в том числе представители нефтегазового бизнеса. В последнем прогнозе TotalEnergies солнечная и ветровая генерация – крупнейшие производители электричества в 2050 году в обоих рассматриваемых компанией сценариях.

         Быстрый рост солнечной и ветровой энергетики, которая отличается переменчивым характером выработки, порождает беспокойство в плане надежности энергетических систем.

         Следует подчеркнуть, актуальные эмпирические данные свидетельствуют, что рост доли солнца и ветра не приводит к снижению надежности системы. В теоретическом плане вопрос также основательно изучен и опубликованы сотни работ и моделей, описывающие, как должна работать система с преобладанием переменчивой фотоэлектрической и ветровой генерации.

         На днях была опубликована новая научная работа по этому вопросу. Группа ученых из США и Китая, представляющих Калифорнийский университета в Ирвине, Университет Цинхуа, опубликовали  работу «Геофизические ограничения надежности солнечной и ветровой энергии во всем мире».

         Была проанализирована способность солнечных и ветровых ресурсов удовлетворять спрос на электроэнергию в 42 странах, варьируя гипотетический масштаб и сочетание возобновляемых источников энергии, а также емкости хранения энергии. В качестве исходных данных, среди прочего, использовалась статистика о почасовом потреблении энергии за 39 лет (1980–2018 гг.) в этих государствах.

         «Ветровая и солнечная энергия может покрывать более 80 процентов потребления во многих местах без сумасшедших объемов хранения или избыточных генерирующих мощностей, что чрезвычайно важно», — отметил Стив Дэвис, соавтор исследования, профессор науки о земных системах Калифорнийского университета. «Но в зависимости от страны могут быть многодневные периоды в течение года, когда некоторый спрос необходимо будет удовлетворить за счет хранения энергии и других неископаемых источников энергии, если мы говорим о будущем с нулевыми выбросами».

         Согласно исследованию, энергосистемы без накопителей, в которых солнечная и ветровая генерация за год производят количество электроэнергии, соответствующее потреблению, более надежно работают при большей доле ветроэнергетики, что предсказуемо в виду того, что солнце не светит ночью. Оптимальная доля ветровой электроэнергии в среднем составляет 65-85% (солнечной, соответственно, 15-35%), в зависимости от региона. Например, в северных странах, таких как Канада, оптимальное соотношение составляет 85%/15% в пользу ветроэнергетики.  Без систем накопления энергии солнце и ветер способны полностью покрывать потребление 72-91% времени в рассмотренных странах. С добавлением 12-часового хранения энергии такая система сможет удовлетворять потребности в электричестве 83-94% времени. При этом добавление накопителей энергии позволяет увеличивать долю солнечной генерации. Например, при наличии 12-часовых систем накопления энергии, оптимальная доля солнечной энергетики в среднем по всем 42 странам возрастает до 49%.

         Далее авторы рассматривают вариант «избыточной» ВИЭ-генерации, когда на основе ветра и солнца производится в полтора раза электроэнергии за год, чем потребляется. В данном случае без накопителей солнце и ветер способны покрывать 94% потребления, а с 12-часовыми системами накопления энергии 98% потребления в среднем за год и по всем странам.

         Большие страны, «растянутые» по многим часовым поясам, гораздо проще могут интегрировать переменные ВИЭ, чем компактные государства. Последние уязвимы перед неблагоприятными погодными явлениями, а для больших стран погодный фактор относительно малозначим. Авторы подсчитали, что каждое увеличение площади в 10 раз приводит к повышению надежности солнечно-ветровой системы без накопителей на 7,2%.

         При всех (краткосрочных) накопителях и даже при удачной географии могут случаться периоды, десятки, а то и сотни часов в год, когда выработка на основе солнца и ветра не может обеспечить потребление. Что делать? Развивать долгосрочное хранение энергии, усиливать интеграцию энергосистем, и, разумеется, использовать традиционные методы обеспечения системной гибкости, такие как газовые электростанции, но сжигающие углеродно-нейтральный биогаз, синтез-газ или водород.

         «Во всем мире существуют определенные геофизические ограничения на нашу способность производить электроэнергию с нулевым выбросом углерода», — сказал Дэвис. «Все сводится к разнице между трудным и невозможным. Будет трудно полностью исключить ископаемое топливо из нашей структуры производства электроэнергии, но мы можем достичь этой цели, когда технологии, экономика и социально-политическая воля будут согласованы», — заключают авторы.