facebook
Все ВИЭ, Финансы

О доле ВИЭ в мировом энергетическом балансе

Энергетическая статистика

Подход МЭА к расчёту первичной энергии применительно к солнечной и ветровой энергетике давно вызывал у меня вопросы. Оказывается, не у одного меня. Норвежский учёный Erik Sauar считает, что методика МЭА ошибочна с научной точки зрения, и приводит к занижению доля солнца и ветра в мировом энергобалансе. Краткий перевод его статьи с небольшими нашими комментариями приводим ниже.

 

Солнечная и ветровая энергетика уже десятилетия переживают экспоненциальный рост и обеспечивают работой миллионы людей. В то же время по статистике Международного энергетического агентства (МЭА), их доля в мировом энергоснабжении (энергобалансе, как у нас говорят) составляет всего 2%. Почему так получается?

Ответ кроется в ошибке, допущенной 12 лет назад в Руководстве МЭА по статистике. После её исправления, окажется, что доля солнца и ветра в мировом энергоснабжении (energy supply) в 3 раза выше, чем написано в статистических отчетах, и переход на возобновляемые источники энергии происходит гораздо быстрее, чем представляют себе некоторые регуляторы.

Иллюстрация ошибки.

Если условные солнечная, угольная или атомная электростанция производят одинаковые объёмы электроэнергии, можно предположить, что в энергетической статистике их доли в мировом энергобалансе примерно равны. Однако, это совсем не так. В статистике и угольная, и атомная электростанции «вносят» в мировое энергоснабжение в три раза больше, чем солнечная, поскольку для выработки одной единицы их электроэнергии нужно затратить три единицы сырья. Похожие потери, разумеется, происходят и в случае солнечных и ветровых электростанций, однако МЭА эти потери в свои расчёты не включает. Оно лишь учитывает единицу произведённой электроэнергии на основе солнца или ветра.

Соответственно, МЭА существенно занижает вклад солнца и ветра в мировую энергетику.

Такой подход противоречит базовым физическим определениям энергии, которых, по собственным заявлениям, придерживается МЭА.

Первичная энергия.

Когда МЭА сравнивает роль разных источников энергии в мире, оно использует термин «первичная энергия» (primary energy). Определение этого термина имеет точное и ясное физическое значение, которое разделяется и ОЭСР, и МЭА: «Первичное потребление энергии относится к прямому использованию в источнике или к поставке к потребителю сырой энергии без трансформации, то есть к энергии, которая не подвергалась никакому процессу конверсии или трансформации».

Выражаясь проще, первичная энергия — это энергетическое содержание исходного сырья,  «сырая энергия», которая поступает в двигатель или на электростанцию и уже там преобразуется во «вторичную» или «конечную» энергию, такую как электричество или механическая энергия.

В случае газа, нефти или угля, «потребление первичной энергии» сегодня рассчитывается корректно — столько-то тонн было потреблено, и это количество потреблённых тонн содержит в себе такое-то количество «первичной энергии». При этом эффективность использования этого сырья в данном показателе никоим образом не учитывается (и не должно учитываться). Например, для движения автомобиля используется лишь 20% энергии содержащейся в сырой нефти. 80% теряется по дороге от скважины до выхлопной трубы.

Для солнечной электростанции или ветряной турбины первичная энергия — это солнце, которое падает на поверхность модулей, и ветер, который обдувает ветрогенератор, а конечная энергия — это электричество. Так же как и в примере с двигателем внутреннего сгорания большая часть первичной энергии здесь теряется в процессе. Почему бы эти ситуации не учитывать одинаково и в соответствии с определением первичной энергии? Скорее всего, одной из причин является желание максимально упростить подсчеты. Компании, производящие нефть или уголь, подсчитывают количество, которое они извлекают, в тоннах. Компании, производящие электроэнергию от солнца и ветра, подсчитывают количество электроэнергии, которую они производят, в киловатт-часах.

В любом случае, статистики ОЭСР и МЭА 12 лет назад выбрали модель, в которой для подсчета потребления первичного источника энергии, который генерирует электроэнергию, исходится из того, сколько тепла было произведено на промежуточном этапе, даже в тех случаях, когда это прямо противоречит физическому определению первичной энергии. 12 лет назад солнечная и ветровая энергетика были очень мелкими секторами, поэтому корректности методологии могли просто не придать значения.

В следующие годы ошибку просто воспроизводили снова и снова. Это означает, что первичная энергия солнечной и ветровой энергетики в 3-4 раза выше, чем оценивается в статистических отчётах и сценариях будущего.

На рисунке ниже показано, как первичная энергия проходит через различные процессы трансформации прежде чем попасть в конечное потребление. Здесь легко увидеть, где МЭА и другие статистики повторяют свою историческую ошибку. И поскольку потери на этапе конверсии N 1 обычно составляют 60-80%, здесь заключена основная разница.

Первичная энергия

Физические проблемы метода МЭА.

Как можно видеть на рисунке выше, некоторые источники энергии учитываются МЭА фактически как «вторичная энергия». Можно сказать, речь идёт о сравнении несравнимого. МЭА калькулирует не первичную энергию, а нечто, что можно назвать «торгуемой энергией».

Несмотря на то, что МЭА, конечно, может придумывать определения под себя, организация все-таки должна иметь определение первичной энергии, которое соответствует общепринятому научному термину.

Вторая проблема состоит в том, что сегодняшний метод считает первичный источник энергии таковым на 100%, если он проходит через промежуточный процесс производства тепла. В то же время промежуточное производство тепла часто не является наиболее энергоэффективным путем для преобразования первичного источника энергии во вторичную энергию. Почти 50% термодинамического потенциала сразу теряется при преобразовании источника химической энергии (например, нефти и газа) в тепло. Нефть и природный газ в принципе могут быть превращены в почти 100% электроэнергии с помощью идеального топливного элемента. Однако после преобразования этих источников энергии в промежуточное тепло, они теряют почти 50% своего потенциала для производства электроэнергии в силу действия фундаментальных термодинамических принципов.

Подобающий учёт первичной энергии солнечной и ветровой энергетики.

Для биоэнергетики и атомной энергетики также гораздо проще учитывать количество произведённой электроэнергии, чем точно подсчитывать сколько ядерного топлива или биомассы было затрачено. Поэтому МЭА в данных случаях берет объём выработанного электричества и «просто» умножает его на коэффициенты — 3 для биомассы и 3,03 — для атомной энергетики.

Для солнечной и ветровой энергетики очень просто вывести аналогичные коэффициенты. По нашим расчётам коэффициент, учитывающий конверсионные потери, для ветроэнергетики должен быть равен 2,2-2,5. Это, действительно, энергетически весьма эффективная технология, энергоэффективность здесь может превышать 40%.

Солнечные панели обладают более низкой эффективностью, которая, впрочем, скоро в среднем достигнет 20%. Таким образом, мы предлагаем коэффициент 5.0. Вроде бы много. В то же время потери в результате конверсии солнечной энергии во вторичную энергию (электричество) сопоставимы с потерями энергетического содержания нефти на её пути в двигатель внутреннего сгорания. Если мы возьмём структуру генерации с соотношением ветра и солнца 60/40, средний коэффициент будет равен примерно 3,3, что близко к таковому для биоэнергетики и атомной энергетики (по методике МЭА).

К слову, BP, например, осознала проблему, и недавно в своей статистике стала умножать вклад солнца и ветра на 2,8 — чтобы сравнения стали более объективными.

Пример несовершенства нынешнего подхода МЭА к учету первичной энергии.

Солнечное электричество вырабатывается сегодня на основе двух совсем разных технологий. Фотовольтаика непосредственно преобразует солнечную энергию в электричество, а солнечная тепловая энергетика (CSP) сначала производит высокотемпературное тепло, а потом вырабатывает на его основе электроэнергию, как обычная тепловая электростанция.

Как было описано выше, для фотоэлектрической солнечной энергетики МЭА учитывает только произведённую электроэнергию. А вот для CSP Агентство принимает в расчёт также промежуточное производство тепла. В результате получается, как показано на рисунке, что солнечная тепловая электростанция затрачивает в три раза больше первичной энергии, чем фотоэлектрическая, при одинаковой выработке электроэнергии.

Первичная энергия

И, хотя фотовольтаика является абсолютно доминирующей технологией, благодаря таким статистическим трюкам CSP выглядит гораздо «весомее».

Подведём итоги.

Недооценка солнечной и ветровой энергетики в статистике не является безобидным фактом. Некорректные данные и прогнозы искажают реальность, и могут приводить к ошибочным политическим и регуляторным решениям (например, нам хорошо знакомы рассуждения такого плана: «доля солнца и ветра в энергетическом балансе мала и будет оставаться таковой, поэтому необходимо добывать все больше углеводородов, чтобы обеспечивать растущие энергетические потребности человечества/энергетическую безопасность»).

В статье показано, что сегодняшний метод подсчета первичной энергии в энергетической статистике МЭА и ОЭСР не является научно согласованным. Если статистические методы будет модифицированы так, что солнечная и ветровая энергия будет представлена в соответствии с её реальным вкладом в структуру энергетики, как источника первичной энергии, публика будет лучше понимать место энергии ветра и солнца в сегодняшней энергетике.

Предыдущая статьяСледующая статья

1 Comment

  1. К статистике BP тоже есть вопросы, но она в целом лучше отражает реальность. И исходя из этой статистики, человечество может пройти пик потребления углеводородов в ближайшие пару лет ( ежегодный прирост потребления первичной энергии стабилизировался в районе 130 млн. тонн. н.экв. ВИЭ дали в 2016 году 84 м.т.н.э. Атом дал около 10 м.т.н.э. В 2017 году ВИЭ и атом точно дадут прирост более 100 м.т.н.э. В 2018-110 мтнэ. 2019-120 мтнэ. 2020-130 мтнэ.) То есть 2020 год будет пиковым для потребления углеводородов человечеством. Что противоречит прогнозам всех философов от энергетики, высказанным на рабочей сессии по данной проблеме на ПЭФ-2017.

Добавить комментарий