Олег Валерьевич Жданеев – руководитель дирекции технологий ТЭК ФГБУ «РЭА» Минэнерго России, к. ф.‑ м. н.,
e-mail: Zhdaneev@rosenergo.gov.ru
Oleg Zhdaneev – head of directorate energy technologies REA,
e-mail: Zhdaneev@rosenergo.gov.ru
Семен Сергеевич Зуев – директор проекта дирекции технологий ТЭК ФГБУ «РЭА» Минэнерго России,
e-mail: Zuev@rosenergo.gov.ru
Semen Zuev – project director energy technologies REA,
e-mail: Zuev@rosenergo.gov.ru
Аннотация. В данной статье рассматриваются возможности более широкого использования в России возобновляемых источников энергии. Проанализирована текущая структура сектора возобновляемой энергетики России, характеризующаяся высоким уровнем удельных капитальных затрат, определены основные мировые энергетические тренды, направленные на решение проблемы глобального изменения климата. Выявлена и обоснована необходимость технологического развития в области ВИЭ, накопителей энергии, водородной энергетики, повышения уровня локализации производств в России. На основе проведенного исследования авторами предлагается ряд мер, которые могут быть использованы при формировании энергетической политики в отношении развития ВИЭ в России.
Ключевые слова: технологическое развитие, возобновляемые источники энергии, стандартизация, Парижское соглашение.
Введение
Возобновляемая энергетика представлена в России восьмью технологическими направлениями: энергия солнца; энергия ветра; энергия геотермальных подземных источников; гидроэнергетика; энергия, получаемая при переработке биомассы и отходов; биогаз; газ, выделяемый отходами на свалках; энергия приливов. Наибольшее развитие из них получили возобновляемые источники энергии на основе солнца и ветра.
Технологии, применяемые в возобновляемой энергетике России, представлены как отечественными, так и зарубежными разработками. Уровень локализации оборудования таких проектов соответствует установленным законодательством требованиям: энергия солнца – 70 % с 2016 года, энергия ветра – 65 % с 2019 года, энергия потоков воды – 65 % с 2018 года. Проекты, подтвердившие необходимый уровень локализации технологий, получают государственную поддержку, без которой в настоящее время работа капиталоемких электростанций на возобновляемых источниках экономически невыгодна: энергия ветра – 119–65 тысяч рублей/кВт, энергия солнца – 120–90 тысяч рублей/кВт [1].
Требования по локализации стимулируют операторов проектов развивать собственные производства компонентов электростанций на основе ВИЭ и/или обеспечивать поставки отечественного оборудования других производителей.
Развитие ВИЭ в России происходит в условиях, когда глобальный энергетический сектор переживает существенные преобразования. В перспективе до 2035 года будет меняться мировая структура генерации. Доля угля в мировом энергетическом балансе будет снижаться, что прежде всего связано с экологическим фактором. Сценарий устойчивого развития предполагает падение спроса на уголь к 2040 году на 63 % [2]. Объем выработки электроэнергии на основе возобновляемых источников получит существенный рост до 25 000 ТВт·ч [3]. Основными драйверами роста возобновляемых источников энергии станут ветровые и солнечные генерации, общая доля которых в структуре прироста ВИЭ до 2040 года будет достигать 90 % в отдельных регионах мира [4].
Следует отметить, что мировые энергетические тренды так или иначе направлены на решение проблемы глобального изменения климата. Их можно охарактеризовать следующими показателями:
Доля возобновляемых источников энергии в мировом энергобалансе. К 2040 году потребление электроэнергии удвоится, а возобновляемые источники энергии будут составлять от 40 % до 60 % ее выработки на планете [5]. Произойдет замещение объемов генерации на основе сжигания углеводородов экологически чистой энергией;
Уровень вредных выбросов в атмосферу. Международное энергетическое агентство (МЭА) в ежегодном прогнозе «World energy outlook 2018» (WEO 2018) отмечает, что благодаря переходу на возобновляемые источники энергии темпы роста вредных выбросов в атмосферу будут существенно замедляться. К 2040 году они могут снизиться на 40 % [5];
Доступ к энергии. В будущем постоянный доступ к энергии могут получить удаленные и малонаселенные районы, в том числе на Крайнем Севере, в Африке и другие;
Уровень развития электротранспорта. К 2040 году, по прогнозам европейских институтов, количество электромобилей может вырасти до 900 млн [6];
Развитие систем накопления и хранения энергии. Согласно прогнозам европейских институтов, объем мощности энергобатарей может вырасти с 77 ГВт·ч до 250–1100 ГВт·ч к 2028 году и до 600–4000 ГВт·ч к 2040 году [6].
Роль и место России в происходящих изменениях будет определяться скоростью реакции правительства на глобальные вызовы и выбором направлений развития электроэнергетического комплекса, энергетического машиностроения и радиоэлектронной промышленности. На этом фоне становится особенно актуальным обновление прогнозных показателей топливно-энергетического баланса до 2035 года с учетом величины и качества запасов углеводородов, стоимости их добычи, развития нефтехимии, оценки перспектив возобновляемых источников, эффективности и экологичности газовой и угольной генерации, и других факторов.
При выборе стратегических ориентиров в энергетической отрасли особое внимание будет уделяться развитию «зеленой» энергетики. При этом будет оцениваться потребность в новых технологиях; возможность снижения капитальных затрат на МВт установленной мощности; необходимость стандартизации и интеграции в существующую энергосистему; перспективы импортозамещения; развитие экспортного потенциала; варианты взаимовыгодного международного научно-технического сотрудничества и потребность в высококвалифицированных кадрах.
Технологические тренды в области ВИЭ
С 2014 года Россия активно включилась в развитие «зеленой» энергетики. Имеющийся потенциал возобновляемых источников энергии и научно-технические разработки в этой сфере наряду с расширением международного сотрудничества станут основой поэтапного увеличения вклада России в развитие рынка экологически чистой энергии: объем выработки ВИЭ к 2030 году – 3–5 % энергопотребления в стране, создание собственных высокотехнологичных производств, имеющих высокий экспортный потенциал.
Источник: radio.cz
На первое января 2019 года в России было построено более 1,1 ГВт установленной мощности электростанций, работающих на основе возобновляемых источников энергии. Структурно их можно разделить на четыре группы: использующие энергию солнца – 712,2 МВт, энергию ветра – 189,7 МВт, малые гидроэлектростанции (МГЭС) – 169,7 МВт, другие возобновляемые источники энергии – 74,5 МВт [7].
Возобновляемые источники энергии требуют постоянных инноваций для повышения эффективности работы и ускорения темпов распространения. Так, для развития ветровой и солнечной генерации требуются новые исследования и разработки все более и более совершенного оборудования: ячеек, турбин и систем энергоснабжения. Одновременно идет постоянное развитие технологий, снижающих затраты на производство. Наиболее перспективными технологическими направлениями в области развития ВИЭ на мировой арене являются:
– технологии интеграции автономных систем ВИЭ в энергосистему;
– анализ больших данных;
– технологии прогнозирования объемов производства энергии объектами ВИЭ;
– технологии бурения скважин для геотермальных источников;
– технологии проектирования электростанций, использующих энергию океана и энергию волн;
– технологии, позволяющие снизить затраты на производство энергетических установок ВИЭ, в том числе для гидроэлектростанций;
– технологии производства интеллектуальных инверторных систем;
– технологии строительства ветровых электростанций (далее – ВЭС);
– создание накопителей электрической энергии, в том числе твердотопливных.
В указанных направлениях под эгидой МЭА, которое объединяет более 29 стран, совместно с крупнейшими транснациональными энергетическими корпорациями ведется активная международная научно-техническая деятельность. МЭА была разработана собственная шкала оценки технологической готовности от 1 до 11 TRL. Согласно WEO 2018 доведены до 10–11 TRL такие технологии, как пусконаладочные работы турбин для ветровых установок на суше (TRL 10), облачные измерительные и программные платформы (TRL 10) и мобильные платформы Pay-as-you-go (PAYG, TRL 11) для солнечной генерации.
В качестве перспективных технологий, развитие которых позволит России до 2035 года обеспечить эффективный переход на ВИЭ отечественного производства, можно выделить следующие:
– технологии прогнозирования выработки электроэнергии объектами ВИЭ;
– анализ больших данных;
– технологии снижения стоимости электроэнергии, производимой объектами ВИЭ;
– технологии повышения эффективности генерации ВИЭ;
– технологии управления спросом на электрическую энергию;
– технологии накопления и хранения энергии;
– «умные» приборы учета;
– децентрализованные (одноранговые) торговые платформы, которые предлагают надежные, безопасные и отслеживаемые транзакции для локализованных производителей и покупателей энергии;
– технологии снижения стоимости строительства плотин ГЭС;
– технологии осуществления мониторинга и контроля;
– оптические технологии измерения количества и качества электроэнергии и другие.
В перспективе до 2050 года тенденции на активное инновационное развитие и повсеместное внедрение возобновляемых источников энергии станут основой преобразований глобального энергетического сектора.
Стоимость производства электроэнергии на основе ВИЭ
Стоимость производства электроэнергии с помощью ВИЭ будет приближаться к стоимости электроэнергии, производимой на традиционных генерирующих объектах, использующих различные виды ископаемого топлива. Через несколько лет она может стать конкурентоспособной. В результате произойдет дальнейшее ускорение роста использования «зеленой» энергетики. Как ожидается, к 2030 году в большинстве стран цены на электроэнергию, произведенную на основе ВИЭ и на основе традиционных углеродных источников, станут сопоставимы. Это приведет к широкомасштабному переходу на возобновляемые источники [8].
Капитальные затраты являются крупнейшей статьей расходов в течение жизненного цикла электростанций на основе ВИЭ [9]. Этим они отличаются от энергетики, функционирующей на основе ископаемых ресурсов, которой присущи высокие операционные затраты, связанные, в том числе с неопределенностью будущих цен на сырье.
Исследование Lazard, проведенное в ноябре 2017 года, показало, что в отдельных регионах мира ветровые, солнечные, микротурбинные электростанции стали конкурентоспособными по стоимости за кВт·ч по сравнению с угольной и газовой генерацией.
В России цены на электроэнергию на основе ВИЭ значительно отстают от среднемирового уровня [10]. Вместе с тем, конкурсный отбор 2018 года показал, что в корректных экономических сопоставлениях российская ветроэнергетика вполне конкурентоспособна с мировыми аналогами уже сегодня, а не в отдаленном будущем. По результатам конкурса средневзвешенная плановая величина капитальных затрат у ООО «Ветропарки ФРВ» (823,3 МВт) составила 66 213 рублей за киловатт. По шести его проектам суммарной мощностью 226,8 МВт была зафиксирована величина капитальных затрат в 59 339 рублей за киловатт [9]. При пересчете в доллары США по курсу 1$ = 64 рубля это составляет 927 долларов США за 1 кВт. Среднемировая величина удельных капитальных затрат составляет 1477 долларов США за 1 кВт [9].
Уровень локализации производства ВИЭ в России
В июне 2019 года закончился последний конкурсный отбор проектов ВИЭ, которые будут получать гарантированный возврат капитальных издержек и будут введены в строй до конца 2024 года. Суммарный объем отобранных проектов составил 5,4 ГВт, в том числе 3,38 ГВт (62,6 %) в сфере ветровой энергетики, 1,86 ГВт (34,4 %) в сфере солнечной энергетики и 0,17 ГВт (3 %) в сфере малой гидроэнергетики [1].
Основные успехи в импортозамещении были достигнуты в сфере солнечной энергетики за счет запущенных в 2014–2016 годах производств фотоэлектрических модулей компанией «Хевел». По итогам 2018 года степень локализации производства солнечных электростанций достигла 70 % на основе модулей с использованием традиционной технологии и 100 % на основе технологии тонкопленочных модулей [1].
В России создано производство кремниевых пластин с КПД 22 %, которые занимают третье место в мире по данному показателю. Вместе с тем, такие ключевые компоненты солнечной энергетики, как сетевые инверторы, не производятся на территории страны из-за отсутствия отечественной электронной компонентной базы [11].
В ветровой энергетике степень локализации ниже, так как пока в этой сфере недостаточно российских производителей. Но уже в этом году планируется запустить ряд совместных производств [12]:
– ветровые энергоустановки (редукторные): башня, гондола (Фонд развития ветроэнергетики («Фортум», «Роснано», Vestas)), гондола (Enel, «Сименс Технологии Газовых Турбин»);
– ветровые энергоустановки (безредукторные): генератор, гондола, башня («НоваВинд» «Росатома», Lagerwey – «Red Wind» B.V. (лицензия).
В сфере малых ГЭС можно говорить об отсутствии в России производства некоторых электронных компонентов, включая контроллеры, приборы, источники бесперебойного питания, а также горизонтальных и вертикальных синхронных гидрогенераторов, обеспечивающих безаварийное превышение номинальной скорости вращения не менее, чем в 2,2 раза. При этом они составляют критически важную часть малых гидроэлектростанций. Поэтому возникает вопрос о необходимости корректировки перечня условий работы отрасли энергетического машиностроения, например, за счет увеличения объемов ввода мощностей малой гидроэнергетики в рамках механизма ДПМ 2.0.
Мировые инвестиции в возобновляемую энергетику до 2040 года оцениваются на уровне 6,44 трлн долларов. А общие суммарные мировые инвестиции в энергетику до 2040 года оценены в 58,7 трлн долларов [13]. Таким образом, формируется перспективный рынок сбыта для производителей оборудования, в том числе российских.
Стандартизация возобновляемой энергетики
С развитием ВИЭ и концепции Smart Grid особое внимание стало уделяться стандартизации, что вызвано переменным характером возобновляемой энергетики и необходимостью безопасной и надежной совместной параллельной работы разных источников энергии. В настоящее время ведется активная работа по стандартизации возобновляемой энергетики, трансформации стандартов традиционной генерации с учетом ВИЭ, а также созданию стандартов в сфере интеграции ВИЭ в существующие энергосистемы. Например, стандарты серии IEC (61400, 81400, 60904 и др.) и ISO (50001, 9806, 9808 и др.) позволяют учитывать требования и опыт многих проектов по внедрению объектов ВИЭ в существующие энергосистемы. России необходимо разрабатывать собственные стандарты с учетом международного опыта. Соединить производство возобновляемой энергии с уже сложившимися энергосистемами представляет собой сложную задачу. Вместе с тем, это стимулирует развитие таких технологий, как прогнозирование выработки ВИЭ, многофункциональные интеграционные системы управления, анализ больших данных, мобильные платформы Pay-as-you-go (PAYG), облачные измерительные и программные платформы и другие.
Источник: «Русгидро»
Производство накопителей энергии
Производство электроэнергии на генерирующих объектах возобновляемых источников тесно связано с накоплением энергии в больших объемах. В направлении создания систем аккумулирования энергии Россия имеет определенный задел (плотность аккумуляторов компании «Лиотех» составляет около 130 Вт·ч/кг [14]), которого на сегодняшний день недостаточно (плотность аккумуляторов технологических лидеров рынка составляет более 300 Вт·ч/кг [15]). Так что остается идти по пути налаживания взаимовыгодного международного сотрудничества с Китаем, Японией, США, Европейским Союзом.
Технологическое развитие производства и применения систем накопления и хранения электроэнергии в России требует совершенствования нормативно-правового и нормативно-технического регулирования, в том числе снятие барьеров для применения систем хранения электроэнергии, формирование перечня перспективных направлений развития систем батарей с возможностью заключения специальных инвестиционных контрактов, внесения этих систем в перечень объектов и технологий высокой энергетической эффективности.
Углубление интеграции ВИЭ в сферы конечного потребления
Способствовать увеличению степени интеграции ВИЭ во все сферы конечного потребления возможно за счет применения «зеленой» энергии для производства водорода. Водородная энергетика является одним из элементов глобальной энергетической трансформации, который позволит снизить парниковые выбросы. Водород – самый распространенный элемент в нашей вселенной. Он присутствует практически везде: в воде, природном газе и органических материалах. Замена традиционных ископаемых видов топлива водородом приведет к экологическому снижению загрязнителей климата и улучшит качество воздуха.
Можно выделить следующие способы получения водорода [16]:
Паровая конверсия метана/природного газа. Данным способом производится примерно половина всего водорода. Себестоимость процесса $ 2‒$ 2,5 за 1 кг водорода.
Газификация угля. Себестоимость процесса $ 2‒$ 2,5 за 1 кг водорода.
Электролиз водных растворов солей. Себестоимость $ 3‒$ 20 за 1 кг водорода.
Химическая реакция воды с металлами.
Из биомассы:
Термохимический метод: себестоимость процесса $ 5‒$ 7 за 1 кг водорода;
Биохимический метод: себестоимость водорода около $ 2 за 1 кг;
Биофотолиз;
Биогаз.
Преимуществами использования водорода в энергетике являются высокий КПД топливных элементов, который достигает 60‒80 % и не зависит от коэффициента нагрузки, а также отсутствие вредных выбросов и компактные размеры оборудования [17, 18].
Электромобили на топливных элементах (Fuel Cell Electric Vehicles (FCEVs)) при эксплуатации производят на 30–60 % меньше выбросов, чем обычные машины, работающие на бензине, и не выделяют вредных загрязнителей воздуха [17, 18].
Будущее производства водорода на основе различных ВИЭ путем электролиза будет в значительной степени зависеть от технологической готовности электроэнергетических систем. При оптимистичном сценарии развития электролиз для производства водорода может стать конкурентоспособным по цене к 2030 году [19].
Переход к низкоуглеродному развитию
Ратифицированное Россией Парижское соглашение по климату на сегодняшний день не предполагает для страны каких-либо серьезных издержек, связанных с сокращением выбросов в ближайшем будущем. Для выполнения обязательств, предусмотренных соглашением, установлена цель снизить выбросы парниковых газов «до уровня 70–75 % выбросов 1990 года к 2030 году при условии максимально возможного учета поглощающей способности российских лесов» [20].
По оценке Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в 2017 году объем выбросов парниковых газов в эквиваленте СO2 составил 2,2 млрд тонн. С учетом возможностей поглощения углерода лесами страны (580 млн тонн), это эквивалентно 1,6 млрд тонн [21]. Сравнение с объемом выбросов 1990 года (по разным оценкам, он составлял от 2,3 до 3,1 млрд тонн) показывает, что по самым консервативным подсчетам в настоящее время выбросы СO2 достигают около 69 % от базы. Это значение соответствует целевому диапазону 70 %–75 %. Таким образом, принятие Парижского соглашения не потребует от России немедленных действий по снижению уровня выбросов парниковых газов, и это дает стране преимущество перед другими развивающимися экономиками, нарастившими выбросы после 1990 года.
Меры государственной поддержки
В рамках государственной поддержки инновационного развития возобновляемой энергетики необходимо создать правовые, экономические и организационные условия для электроэнергетических компаний и предприятий энергетического машиностроения, производящих оборудование для ВИЭ. При этом государственная поддержка должна быть увязана с развитием отечественного энергетического машиностроения и электронной промышленности, как неотъемлемой части современной техники.
В качестве возможных мер поддержки могут быть выделены следующие:
– пересмотр / сохранение требований по локализации оборудования;
– продление механизма поддержки возобновляемых источников ДПМ 1.0 (ДПМ 2.0);
– актуализация существующих стандартов в соответствии с новыми условиями функционирования;
– содействие созданию консорциумов для разработки перспективных инновационных технологий;
– внедрение механизма «зеленых» сертификатов;
– использование механизма концессионных соглашений в изолированных зонах и удаленных территориях.
Результаты SWOT‑анализа
Результаты проведённого SWOT‑анализа показывают, что возобновляемая энергетика на территории России характеризуется высоким потенциалом для развития и широкомасштабного внедрения. Вместе с тем, данное технологическое направление не лишено недостатков, преодоление которых будет способствовать повышению темпов ввода новой генерации.
Основными проблемами развития энергетики на основе возобновляемых источников энергии являются:
– отсутствие понятной проработанной стратегии развития;
– административно-хозяйственные проблемы на федеральном и региональном уровнях;
– отсутствие нормативно-правовой базы для проектирования и создания оборудования;
– научно-технические проблемы в части повышения эффективности, снижения стоимости, интеграции в существующую энергосистему, унификации и стандартизации технических решений и другие.
Чтобы эффективно противостоять «угрозам» российской энергетике на основе ВИЭ нужно активно стимулировать снижение цен меньше стоимости традиционной генерации, повышение КПД энергоустановок, разработку дешевых аккумуляторов высокой плотности, создание собственных производств.
Заключение
Трансформация электроэнергетического сектора предполагает, прежде всего, фокусировку сил на высокотехнологичном производстве электроэнергетического оборудования и электроники, в том числе за счет импортозамещения.
Увеличение доли возобновляемой энергетики в энергобалансе страны и существенный потенциал экспорта оборудования для «зеленой» энергетики могут стать драйвером преобразования отрасли. Это позволит обеспечить необходимую загрузку мощностей энергетического машиностроения, электротехнической и кабельной промышленности, диверсификацию производств предприятий ОПК, а также будет способствовать снижению зависимости электроэнергетических компаний от импортного оборудования, включая электронные компоненты.
Соответствие международным стандартам и улучшение технико-экономических характеристик систем накопления электроэнергии создадут возможность ускоренного развития интеграционных процессов объектов ВИЭ в общую энергосистему страны.
Разработка стратегии развития возобновляемых источников энергии, усиление стимулирующего воздействия государства на разработку новых технологий в сфере ВИЭ и строительство возобновляемой генерации, обеспечат необходимые условия для эффективного перехода к новой мировой энергетической парадигме: «Возобновляемая энергия – основа энергетического баланса будущего».
