Вызовы зеленой энергетики в современных условиях

З еленая энергетика – это совокупность способов получения, использования и передачи энергии, источники которой являются возобновляемыми, или неисчерпаемыми. Среди них наиболее распространены энергии солнца и ветра. В настоящее время необходимость развития зеленой энергетики обусловлена угрозой глобального потепления, а также сильной волатильностью цен на нефтяном рынке.

За последние годы, а именно с 2015 года, доля «зеленой» энергии (выработка солнечными и ветряными станциями) выросла в 2 раза, а в 2020 году в Европе впервые доля зеленой энергетики превысила долю ископаемого топлива: 38 % против 37 % соответственно. Именно данный факт говорит о том, что развитие зеленой энергетики является актуальной научно-практической задачей всего мирового сообщества.

Это связано, прежде всего, с регулированием уровня углекислого газа в атмосфере нашей планеты. Как было отмечено, основной предпосылкой для развития зеленой энергетики является глобальное потепление – многие эксперты связывают результаты человеческой деятельности в области традиционной энергетики с данной проблемой.

Определенная часть мирового сообщества утверждает, что переход к новой энергетической экономике является неизбежным и необходимым будущим на основании вышеуказанной экологической проблемы на фоне экспоненциального роста технологических изменений, снижений стоимости возобновляемых источников энергии [9, с. 16].

Конечно, мировая история показывает, что глобальные энергетические переходы возможны. Однако важным вопросом в настоящее время является: готов ли мир сейчас перейти на новый энергетический уровень? Ответ на данный вопрос также предопределяет актуальность данного исследования, при этом необходимо также учитывать не только преимущества, но и вызовы зеленой энергетики.

Объектом исследования данной научной статьи выступает зеленая энергетика.

Предмет исследования – вызовы зеленой энергетики, препятствующие на данный момент переходу на новый энергетический этап.

Цель исследования – на основе теоретического и практического опыта провести анализ преимуществ и вызовов зеленой энергетики.

Задачи:

•    определить основные преимущества и недостатки зеленой энергетики; •    выявить особенности основных показателей эффективности работы «зеленых» предприятий;

•    определить перспективы развития зеленой энергетики с учетом природного фактора.

Основная часть. Анализ тенденций снижения показателя LCOE для зеленой энергетики. Основные преимущества зеленой энергетики исходят из минусов традиционной: экологическая «чистота», широкое распространение, возобновляемость, положительная тенденция снижения себестоимости производства электроэнергии. Основным и явным вызовом является зависимость от погодных условий. Однако существуют скрытые особенности себестоимости производства электроэнергии, а также особенности природного фактора.

Одним из положительных компонентов зеленой энергетики можно назвать устоявшуюся и стремительную тенденцию к снижению такого показателя, как LCOE (levelized cost of energy) – нормированная стоимость электроэнергии, который показывает средний доход на единицу произведенной электроэнергии на протяжении всего жизненного цикла предприятия (электростанции). Формула LCOE выглядит следующим образом:

где:

LCOE =

n

^ t = 1

I_t + M_t + F_t ^{( 1 +} r ) t

F nt ^ t = 1            t

^{( 1 +} r )

I _t – это инвестиционные затраты в год t;

M _t – это операционные затраты и затраты на содержание в год t;

F _t – это затраты на топливо в год t;

E _t – это производство электроэнергии в год t;

• r    – это ставка дисконтирования;

• n    – это жизненный цикл системы.

Как было отмечено выше, с 2015 года доля выработанной солнечными и ветровыми электростанциями возросла в 2 раза, что стало причиной их успешной конкуренции с традиционными источниками энергии. В таких странах, как Китай, Индия, США был достигнут паритет цены и практически был до- стигнут паритет производительности, что связано с вышеуказанным показателем LCOE [15, 11 с. 22]. К примеру, показатель LCOE для солнечной энергии составляет примерно 35 долл. (диапазон от 31 долл. до 42 долл. за 1 мегаватт в час), для ветровой – примерно 40 долл. (26-54 долл. за 1 мегаватт в час). Стоит отметить, что данный показатель для данных двух видов энергии снизился в 3 и в 9 раз соответственно за последние 10 лет (см. Рисунок 1).

В это время показатель LCOE для самого дешевого ископаемого топлива (природного газа) составляет примерно 60 долл. (диапазон от 44 долл. до 73 долл. за мегаватт в час), не говоря уже о более высоких показателях угля и атомной энергии (см. Рисунок 2).

Рисунок 1. Показатель несубсидированной нормированной стоимости (LCOE) для ветровой и солнечной энергии с 2009 по 2020 год [14]

Рисунок 2. Показатель LCOE для возобновляемых и традиционных источников энергии на 2020 год [14]

Однако необходимо учитывать тот факт, что снижение показателя LCOE связано с колоссальными инвестиционными затратами. К примеру, в Японии, несмотря на то что она является одним из лидеров по выработке энергии из солнечных установок, ценовой паритет так и не был достигнут [11, с. 22]. По прогнозам, ценовой паритет в Японии будет достигнут в теории в 2030-х годах по мере перехода страны к практике конкурсных энергетических аукционов.

Стоит отметить, что в некоторых других источниках, к примеру вагентствеэнергетической информации США (EIA) сообщается о практически идентичных показателях LCOE для природного газа и возобновляемых типов энергетических технологий [5]. Однако в том же EIA упоминается, что данный паритет не является полностью объективным по причине отсутствия учета скрытых затрат, необходимых для эксплуатации надежной, работающей круглосуточно системы [13].

Параметр «ставка дисконтирования» имеет субъективный характер, которая представляет собой пересчет будущих потоков доходов или же способ сравнения настоящей и будущей стоимостей. Низкая ставка дисконтирования влияет на результат, делая более привлекательным капиталовложения в настоящий момент времени для решения теоретической проблемы, в чем можно найти предположение о перспективе медленного экономического роста [6]. Высокая ставка дисконтирования также несет в себе

Рисунок 3. Приведенная стоимость электроэнергии LCOE для солнечных (темная серая линия) и угольных (светлая серая линия) электростанций в Индии

предположение о многократном финансовом преимуществе будущего общества с более развитыми технологиями. Проблема же заключается в практической невозможности определить жизненный цикл всей системы, что также входит в список параметров показателя нормированной стоимости [8, с. 12-13].

LCOE включает в себя еще такие расходы как налоги, стоимость заимствований и техническое обслуживание, но, несмотря на объективность расчетов по формуле, здесь также скрываются некоторые прогнозные предположения. Например, предположения о затратах на техническое обслуживание и эксплуатацию ветровых и солнечных станций в долгосрочной перспективе могут быть либо оптимистичными, либо пессимистичными, что сказывается на результатах фактических расчетов в режиме реального времени.

Решением некоторых(но не всех) проблемявля-ется идея расчета LCOE с поправкой на стоимость, или VALCOE, чтобы включить элементы гибкости и экономические последствия диспетчеризации. Расчеты при таких новых параметрах могут изменить сравнительную характеристику между показателями VALCOE ве-тровой/солнечной генерации и традиционных источников энергии [10]. К примеру, в IEA в соответствии с прогнозами Международного энергетического агентства (далее – МЭА) прогнозируется, что к 2025 году LCOE новых солнечных фотоэлектрических станций в Индии упадет ниже, чем у угольных (см. Рисунок 3)1.

Однако при расчетах с учетом показателей VALCOE к 2030 году ценность дневного производства снизится, а ценность гибкости возрастет с превышением в 10 % доли солнечной генерации. После 2030 года с дальнейшим снижением затрат на инфраструктуру, солнечная энергия станет по прогнозам менее конкурентоспособной (см. Рисунок 4)2.

Оценка КИУМ для зеленой энергетики. Говоря о показателеLCOE, нестоитзабывать ио коэффициентеис-пользования установленной мощности (далее – КИУМ), который является важнейшей характеристикой оценки эффективности работы энергетического предприятия, высчитываемой посредством отношения средней мощности к установленной за определенный период времени (не меньше, чем за год работы предприятия).

Показатель КИУМ для солнечных установок и ветровых станций имеет прямую зависимость с показателем LCOE (и обратную с КИУМ) для традиционных источников энергии: в настоящее время, как уже было сказано неоднократно, увеличиваются объемы «зеленых» энергомощностей за счет модернизации и технического перевооружения ветровых и солнечных станций в развитых странах. Данные события приводят к снижению показателя LCOE для «зеленых» энергоносителей.

Рисунок 4. Приведенная скорректированная стоимость VALCOE для солнечных и угольных электростанций в Индии

Однако для показателя КИУМ также существует неопределенность, исходящая из воздействия некоторых факторов. Прежде всего необходимо рассмотреть динамику изменения данного показателя до настоящего времени (см. Рисунок 5).

Из рисунка мы видим, что показатель КИУМ для зеленой энергетики является относительно низким: чуть больше 20 % для солнечной энергии (для фотовольтаики – почти 25 %), примерно 35 % для ветровой. В это же время, данный показатель для атомной энергетики составляет более 90 %, для тепловых электростанций на природном газе – более 66 %. Данный разрыв связан как с воздействием некоторых факторов на показатель КИУМ в целом, так и с особенностями зеленой энергетики, в частности.

Коэффициент использования установленной мощности имеет сложнопрогнозируемый в техниче- ском и административном плане характер. Административная сторона вопроса заключается в особенностях диспетчерских служб на предприятиях по контролю и учету предварительных показателей выработки мощности на короткие периоды времени: при несоответствии (больших отклонениях) предварительных и фактических показателей на электростанции накладываются штрафные санкции по причине рисков поломки всей системы на фоне понижения/ повышения напряжения, снижения коэффициента полезного действия и ресурса всей энергосистемы.

Положительным моментом для электростанций на возобновляемых источниках энергии является возможность более гибкого маневрирования в плане динамического изменения мощности относительно степени маневрирования традиционных предприятий. Однако высокая маневренность для большин-

Nuclear		Other Biomass		Other Gas		Solar				Wind
						Photovoltaic		Thermal
Adjusted Capacity	Capacity Factor	Adjusted Capacity	Capacity Factor	Adjusted Capacity	Capacity Factor	Adjusted Capacity	Capacity Factor	Adjusted Capacity	Capacity Factor	Adjusted Capacity	Capacity Factor
101.265.1	89 1%	4.469.8	642%	1,902.7	54.1%	537.0	190%	485 3	23.9%	42,0192	321%
101,1660	86 6%	4.639.7	63.3%	1.802.8	59 6%	1,527.1	20.4%	476.0	23.6%	49,458 0	31 8%
99.006 8	90 8%	4.949.7	62.3%	2,171.6	55.9%	3,525.2	24.5%	5521	17.4%	59,175 6	32.4%
98 569 3	91 7%	5,1146	62.7%	1.994.0	54 0%	6,555.6	25 6%	1,445.3	183%	60,587 8	34 0%
98.6146	923%	5,1045	62 6%	2,527.7	60 8%	9,521.6	255%	1,697.3	217%	67,106 2	322%
99 364 8	92 3%	5,099.5	62.7%	2.458.8	64 8%	14,161.4	25.0%	1,757.9	221%	74,162.7	34.5%
99,619.5	92.3%	5,1256	61.8%	2,375.8	62.8%	21,940.9	25.6%	1,757.9	21.8%	83,3556	34.6%
99,605 2	925%	5,059.0	61 8%	2,543.9	65.4%	27,143.3	251%	1,757.9	23.6%	89,228 5	34 6%
98.836 7	93 4%	4,786.5	62.5%	2,504.1	67.4%	31.840.8	243%	1,758.1	212%	97.564.8	34 4%
97,126.3	92 5%	4.689.8	632%	2,507.2	66.1%	39.442.7	249%	1,758.1	20.5%	107,070 6	35 4%

Рисунок 5. Коэффициент использования установленной мощности (Capacity factor) для разных видов энергии с 2011 по 2020 год [12]

ства станций «зеленой» энергетики нивелируется неравномерностью использования возобновляемых источников энергии в силу весомой зависимости от природного фактора, что как раз и сказывается на низких показателях КИУМ.

Перспективы воздействия природного фактора на зеленую энергетику. Природный фактор подразумевает за собой значительное воздействие погодных условий на выработку «зеленой» энергии. Сложность работы в суровых условиях, при катаклизмах заключается в невозможности в полной мере спрогнозировать их «процесс» и последствия.

Более того, в большинстве исследований не делается акцентов на изменение формы будущего спроса в зависимости от погодных условий в конкретный период времени. Поэтому критически важным вызовом для дальнейшего развития зеленой энергетики является противодействие погодным условиям посредством развития «зеленой» инфраструктуры, а также посредством использования уже существующих моделей прогнозирования изменения характера и формы будущего спроса и их оптимизации нейронными сетями для минимизации негативных последствий. Например, есть возможность использовать современные методы с применением экстраполяции тренда с полной декомпозицией спроса на репрезентативные группы внутри секторов для создания новых профилей совокупного спроса [1, с. 1317-1333].

Можно сказать, что природный фактор связан с нестабильностью выработки электроэнергии, и решение проблемы заключается в создании экономичной и надежной интеграции энергосетей, а также инновационных технологий по накоплению и хранению «зеленой» энергии [2]. К примеру, в Германии и Дании существует интеграции энергосетей, являющихся самыми надежными в мире. При этом в датской энергосистеме более 90 % энергии приходится на выработку ветровыми и солнечными станциями [4, с. 15]. В американских штатах реже всего происходят отключения электроэнергии [3]. В штате Техас за последние несколько лет выросли показатели выработки ветровой энергии на 645 %.

Существуют положительные тенденции по оптимизации работы электростанций на возобновляемых источниках, что может привести к привлечению интеллектуальных инвесторов и созданию средств расширенного контроля. Благодаря привлечению интеллектуальных инвесторов можно создать систему, которая будет реагировать на погодные условия с высокой скоростью, что позволит наращивать и сохранять выработку энергии солнечными и ветровыми установками. Солнечные электростанции уже в настоящее время реагируют на погодные условия быстрее и точнее, чем любой другой вид источника [7, с. 57].

Говоря о решении проблем, связанных с погодными условиями, нельзя забывать о распространении технологий автоматизаций, искусственного интеллекта и нейронных сетей, которые позволяют не только оптимизировать использование возобновляемых ресурсов и снизить финансовые затраты на эксплуатацию «зеленых» активов в совокупности со снижением временных рамок по восстановлению энергосистем, но и повысить точность прогнозирования.

Заключение. Зеленая энергетика уже сейчас имеет весомое влияния на мировое сообщество. В настоящее время появилась основная, экологическая причина для развития зеленой энергетики – угроза глобального потепления, вызванная процессом человеческой деятельности. Данное обстоятельство способствует ускоренному развитию зеленой энергетики с явными положительными тенденциями. Однако мир на данный момент по-прежнему не готов перейти на новый энергетический этап в силу наличия явных и скрытых вызовов, о которых шла речь в данной статье.

Автором показано, что положительные тенденции к снижению показателя LCOE, а также к повышению показателя КИУМ являются лишь отображением картины в целом, но при этом имеется и много скрытых, отрицательно влияющих особенностей. Так, снижение показателя LCOE на данный момент времени связано с большими капитальными затратами на создание и работу «зеленой» инфраструктуры. При этом автором отмечается, что в самом показателе LCOE есть определенные субъективные параметры, которые являются прогнозом на будущее, и не коррелируются с фактическими данными.

Поэтому предлагается одно из решений проблемы субъективного характера параметра LCOE: идея расчета LCOE с поправкой на стоимость или VALCOE, чтобы включить элементы гибкости и экономические последствия диспетчеризации. Подобные расчеты при новых параметрах отличаются от расчетов показателей LCOE для возобновляемой энергии относительно результатов LCOE для традиционного сырья, что было показано на примере с прогнозированием данных параметров в Индии.

Для показателя КИУМ зеленой энергетики при наличии положительных тенденций к повышению также существует неопределенность. На данный момент КИУМ зеленой энергии не может в полной мере «конкурировать» с КИУМ для традиционного сырья, что связано с наличием ограничивающих факторов для всех отраслей энергетики, а также с особенностями зеленой энергетики, что вкупе и сказывается на подобных результатах.

При наличии фактических данных о серьезных последствиях для зеленой энергетики от суровых погодных условий существуют конкретные действия по снижению данной зависимости, которые были предложены автором статьи. Таковыми решениями являются: создание экономичной и надежной интеграции энергосетей, инновационных технологий по накоплению и хранению «зеленой» энергии; прогнозирование изменения характера и формы будущего спроса на электроэнергию с оптимизацией нейронными сетями – это позволит повысить точность прогноза.

Таким образом, автором была достигнута цель работы, все задачи были выполнены, однако на данном этапе существует вектор развития исследования посредством изучения и анализа иных параметров энергоэффективности и экономической целесообразности вместе с уже изученными, моделей прогнозирования тенденций развития зеленой энергетики в рамках отдельной страны.