Перспективи «зелених» енергетичних технологій

С. Шовкопляс

Що відбувається наразі? Вочевидь зараз весь світ перебуває в стані енергетичної кризи. Ґвалт, який лунає по всій Європі з огляду на спекулятивне та штучне підвищення цін на природний газ (а за ним – на всі типи спалюваних енергоносіїв) має й «іншу сторону медалі». Багато з проєктів по впровадженню нових технологій ВДЕ з огляду на ситуацію в газовому секторі сьогодні стали економічно виправданими й навіть суперрентабельними, включно з технологією «зеленого водню». Але не тільки

В окремому додатку до вересневого випуску «Energy Transition Outlook 2021» від DNV наводиться огляд та перспективи впровадження 10 «зелених» технологій, що визначать темпи енергетичного переходу протягом наступних п'яти років, та потужно впливають в тому числі на весь сектор опалення / охолодження та на інші відгалуження технологій HVAC.

«Світова енергетика має швидше переходити на глибоко декарбонізовану систему, скорочуючи викиди приблизно на 8% щороку, щоб забезпечити кліматичну та енергетичну сталість відповідно до амбіцій, визначених Паризькою угодою, а також обмежити зростання середньорічних температур лише на 1,5 °С.

Цей невідкладний та складний виклик потребує повного осмислення енергетичної системи: розуміння термінів, перспектив й взаємозалежностей технологій та політики. Це також вимагає мужності для прийняття складних рішень», – пише у передмові до «технологічного» звіту Ремі Еріксен, Президент групи та генеральний директор аналітично-експертної компанії DNV.

Go, go, go!

Напрямок розвитку глобальної енергетики, безвідносно до екологічних спрямувань – це поглиблена електрифікація. Електрифікація всіх процесів – тренд щодо опалення та інших секторів HVAC. Застосування саме «зеленої» енергії для цього – лише той технологічний супровід, який відбувається в умовах переходу на нову модель енергетики – з вуглеводневої на безвуглецеву.

Технології, які мають потенціал глибокої декарбонізації світової енергосистеми, добре відомі. Це ті, які можуть допомогти збільшити виробництво відновлюваної електроенергії та розширити охоплення нею за допомогою електрифікації нових секторів, які можуть видалити вуглець із джерел енергії з викопного палива до/в момент спалювання. Власне, складність завдання полягає в тому, як зорієнтуватися, як і коли впроваджувати ці технології, що знаходяться на різних стадіях зрілості, як ними керувати, як вони взаємодіятимуть та залежатимуть одна від одної. Розуміння цього дозволить промисловості, урядам та тим, хто фінансує енергетичний перехід, ефективно розставити пріоритети щодо своїх зусиль та обрати оптимальне рішення, щоб досягти скорочення викидів, необхідних цього року, наступного року та щороку до середини століття.

За п’ять років направду багато чого може змінитися (див табл. 1). Не так давно сонячні фотоелектричні панелі були новинкою. Тепер стає помітною революція електромобілів, й до 2025 року лише на дорогах у Європі буде 13 мільйонів електромобілів. У 2016 р. природня змінюваність відновлюваних джерел енергії широко розглядалася як одна з найпотужніших перешкод на шляху до енергопереходу; тепер, зі стрімким прогресом у технологіях акумуляторів разом з іншими цифровими варіантами реагування на попит та керування мережевими системами зберігання, змінюваність все менше виглядає непоборною перешкодою. Водневі технології, особливо технології видобування «зеленого» водню наразі ще сприймаються за новинку, проте й це ненадовго. Якщо висока ціна на газ збережеться надовго, то насправді це стане стимулом для подальшого глобального впровадження ВДЕ.

Таблиця 1. Глобальне зростання нових технологій (2015- 2025 рр.).
Джерело: Energy Transition Outlook 2021

Але світ має терміново діяти у багатьох напрямках – будувати набагато більше установок ВДЕ, має фокусуватися на подальшому поліпшенні енергоефективності, видаленні й зберіганні вуглецю (CCS). Діючі конкурентні технології, такі як сонячна та вітроенергетика, повинні повною мірою скористатися перевагами нинішньої кон’юнктури ринку. Наразі для менш зрілих технологій, таких як «зелений водень», впровадження від прототипу аж до всесвітньої комерційної імплементації звичайно має ще пройти свій шлях, в тому числі щодо зменшення собівартості від ефекту масштабування, але за ціни на газ на рівні 900$/1000м³ всі відомі технології «зеленого водню» потрапляють в зону рентабельності.

Важливо, що ці технології взаємопов’язані. Наприклад, неможливо передбачити споживання «зеленого водню» без розуміння подій та зв’язків у галузі ВДЕ, а розуміння CCS не є повним без урахування технічних вимог до трубопроводів, що транспортують величезну кількість CO₂. Проте це є в певному сенсі й доброю новиною – скориговані зусилля призведуть до синергетичного позитивного ефекту.

Наразі пріоритетними виглядають 10 напрямків розвитку «зелених» технологій:

Виробництво енергії:

• Плаваючі вітряні генеруючі установки.
• Розвиток сонячних фотоелектричних станцій.
• Перетворення відходів та сміття у паливо та сировину.

Транспортування, зберігання та розподіл енергії:

• • Трубопроводи для низьковуглецевих газів.
  • Багатотермінальні мережі HVDC.
  • Нові технології акумулювання.

Використання та перетворення енергії:

• Нові технології видобутку енергії та доставки енергоносіїв.
• Електромобілі та їх інтеграція в загальну електромережу.
• Виробництво «зеленого водню».
• Видалення, збір та зберігання вуглецю.

Швидкість сучасного енергетичного переходу, що орієнтується на місію тотальної відмови від спалюваних мінеральних та природних ресурсів, відрізняється від попередніх періодів трансформації енергетичної системи. Вона вочевидь прискорилась. Якщо раніше ВДЕ були експериментом на грані технологічного маргинезу, тепер їх вплив та збільшення частки в світовому енергобалансі посилюється та прискорюється. Але варто визнати – для радикального пригноблення шкідливих технологій спалювання «срібної кулі» поки що не винайдено.

«Плавучий вітер»

За прогнозами DNV, плаваючі морські вітряні електростанції до 2050 року зростуть до загальної встановленої потужності 250 ГВт, що майже в 3000 разів перевищує розмір ВЕС Hywind Tampen компанії Equinor, яка почне працювати в 2022 році (див. рис. 1).

Рис. 1. Прогнозований розвиток технології «плавучих ВЕС».
Джерело: Energy Transition Outlook 2021

Плаваючі вітрогенератори дають доступ до великої кількості вітрових ресурсів над глибокими водами – це щонайменше в 4 рази більший простір на поверхні океану у порівнянні з місцями оптимальної побудови стаціонарних ВЕС, закріплених на дні. Це дає підвищену гнучкість у виборі місця, включно з можливістю скористатися областями з більшою швидкістю вітру та районами з менш шкідливим соціальним та екологічним впливом. У найближчі 5 років очікується значний розвиток технології «плавучого вітру» для зменшення вартості (див. рис. 2), масштабності та збільшення застосування.

Рис. 2. Оцінка середньої собівартості енергії з ВЕС.
Джерело: Energy Transition Outlook 2021

Сонячна електроенергія

Сонячна фотоелектрика (PV) – це відновлюваний ресурс електроенергії, що розвиватиметься найшвидше в світі. Очікується, що це зростання буде продовжуватись надалі протягом найближчих десятиліть: виробництво фотоелектричної електроенергії збільшиться у 30 разів з 0,8 ПВт·год у 2019 році до 22 ПВт·год у 2050 році.

З моменту свого створення кремнієві сонячні батареї та відповідні фотоелектричні модулі стали визначальною частиною переходу на «чисту» поновлювану енергію для електромережі та будинків по всьому світу. Сучасні фотоелектричні системи головним чином використовують або кристалічний кремній, або тонкоплівкові технології. Кристалічні кремнієві фотоелектричні модулі продовжують домінувати на сучасному ринку, хоча тонкоплівкові фотоелектричні модулі зазнали суттєвого скорочення витрат та збільшення потужності.

Прогнозується, що встановлена сонячна потужність з 2020 р. до 2025 року подвоїться та збільшиться в 4 рази до кінця десятиліття, що означатиме до 2030 року встановлення глобальної потужності майже у 3000 ГВт (рис. 3, зліва). За цей час PV буде становити найбільшу частку ВДЕ, навіть у порівнянні із новою встановленою потужністю всіх типів ВЕС (див. рис. 3, справа). Фототермальні СЕС будуть мати помірний та стриманий приріст.

Рис. 3. Прогнози розвитку сонячної енергетики до 2030 р.
Джерело: Energy Transition Outlook 2021

Нові інвертори, трекери та конструкції для фотоелектричних систем підвищать продуктивність системи та ККД, тим самим знижуючи витрати. Виробники розробляють вдосконалені одноосні алгоритми відстеження та незалежні конструкції для великих фотоелектричних масивів. Вони максимізують виробництво енергії, зводячи до мінімуму затінення на сусідні модулі у кожному ряду навіть при похмурому освітленні або на нерівній місцевості.

Потужність інверторів продовжить зростати: центральні інвертори досягнуть 5 МВт, а інвертори для послідовно з'єднаних сонячних панелей – 250 кВт. Архітектура центральних інверторів конкуруватиме з розподіленими мережами послідовних інверторів, стаючи простішими в обслуговуванні та включаючи декілька контролерів для точок з максимальною потужністю, щоб максимізувати вихід з системи. Широкоформатні модулі з різними виходами струму/напруги забезпечать більші можливості для максимального збільшення переваг від нових технологій модулів.

Нові PV-технології (органіка, перовскіти тощо) продовжать свою розробку, вдосконалення та здешевлення. Вони можуть знайти своє широке впровадження на заміну тим давно змонтованим PV-установкам, термін використання яких буде невдовзі вичерпуватися.

Сміття – в паливо та сировину

Відходи все частіше розглядаються як гігантський енергетичний та сировинний ресурс, що розташований у неправильному місці. Особливо це стосується зростаючої маси твердих побутових відходів (ТПВ) – щороку у світі їх утворюється понад 2 мільярди тонн, ця цифра за швидкої урбанізації має збільшитися до 2050 року більш ніж на 60%. Більшість цих відходів є біогенними та антропогенними / техногенними, вони змішані з потенційно горючими речовинами, такими як пластик, що давно використовується як джерело енергії шляхом спалювання. В останні десятиліття увага перейшла на включення ТПВ як джерела для генерації палива, головним чином метану та біодизеля.

Виробництво енергії з відходів (waste-toenergy, WTE) у вигляді електроенергії та / або тепла зростає у всьому світі, що зумовлено як збільшенням кількості відходів, так і технологічними вдосконаленнями. Крім того, все більше усвідомлюється внесок відходів у викиди парникових газів як безпосередньо (переважно за допомогою викидів метану зі звалищ), так й опосередковано через неефективне споживання та недоліки утилізації. За оцінками UNEP, глобальні викиди парникових газів можна скоротити приблизно на 10-15% шляхом покращення поводження з твердими відходами (переробка, відведення відходів зі звалищ та відновлення енергії з відходів).

Ринок WTE у 2019 році оцінювався приблизно в 30 млрд доларів США, та, як очікується, протягом наступних 5 років він зросте на 4,6% у вимірі сукупних темпів середньорічного росту (CAGR), з найшвидшими темпами зростання в Азіатсько-Тихоокеанському регіоні (~15% CAGR), особливо там, де вичерпується вільне місце або у місцях, де є обмежений простір для нових полігонів, щоб впоратися з кількістю відходів, які швидко зростають.

Наразі ресурси від надлишкового метану, що міститься в різних типах відходів та сміття, дійсно вражає (див. рис. 4).

Рис. 4. Штучні метанові викиди за регіонами планети.
Джерело: Energy Transition Outlook 2021

На безпосередні викиди метану від відходів на звалищах нині припадає близько 12% світових викидів антропогенного метану, приблизно 2/3 надходять з ТПВ, а решта – від стічних вод. Існують значні регіональні відмінності. Наприклад, у США на сміттєзвалища припадає 15% загальнонаціональних викидів метану в країні. Проте у США та у Китаї кількість антропогенних звалищ лише зростає, тоді як у Європі кількість викидів метану від органічних антропогенних відходів та побутового сміття неухильно падає відповідно рівням, що встановлені енергетично-екологічною політикою ЄС, яка має на меті до 2035 року обмежити частку міського сміття на звалищах до 10%.

Тверді відходи, що знаходяться на звалищах, зазвичай анаеробно розкладаються на звалищний газ (ЗГ), що містить 40-60% метану, багато СО₂ та деяку кількість водню й сірководню. Утилізація ЗГ передбачає накривання звалища газонепроникним шаром та подальше відкачування (видобуток) ЗГ через свердловини із повітродувкою / факелом (або вакуумом). Покривні системи еволюціонували від простих ґрунтових покривів до майже непроникних багатокомпонентних мембранних шарів. Зібраний ЗГ можна очистити та обробити його до якості біометану для використання у виробництві електроенергії або для подальшої переробки у рідке біопаливо.

Технологія виробництва біогазу – анаеробний розклад – доволі зріла. Однак існують постійні технологічні проблеми у створенні надійних та, головне, дешевих малогабаритних установок для розгортання у країнах, що розвиваються, й це дійсно стримує цей напрямок. Проте IEA передбачає прорив у цьому секторі та величезний ріст виробництва біогазу в безпосередньо в домогосподарствах – очікується щорічне збільшення більш ніж на 5 мільйонів одиниць малих та середніх біореакторів за період до 2040 р. Для того, щоб це відбулося, проєкти з виробництва біогазу потребують значно більшої державної підтримки, яка врешті визнає суспільні переваги біогазу як палива, особливо коли він замінює вугілля та дров’яні печі, а також можливості технології для відновлення ґрунту під звалищами.

У розвинених країнах більш актуальною проблемою, ніж власне наявність органічних відходів, є те, що біогаз може бути обмежений або витіснений з ринку електроенергії внаслідок зниження вартості ВДЕ та акумуляторів. Тому фокус, ймовірно, зміститься на подальше очищення біогазу для отримання біометану, видалення CO₂ (приблизно 30-40% у складі біогазу) та інших домішок, включно із водяною парою. Найпоширеніші технології очищення біогазу передбачають промивання водою під тиском, каталітичне поглинання / промивання амінами, поглинання під тиском, кріогенне зрідження та відділення високоселективними мембранами. Біометан (який іноді називають відновлюваним природним газом, RNG) може бути застосований у діючих мережах розподілу природного газу та використаний у важкодоступних галузях, не в останню чергу, у промисловому теплопостачанні, авіації, автотранспорті та судноплавстві.

Останні дослідження в США показали, що замість виробництва біогазу шляхом анаеробного перетравлення вологих відходів, метаногенез можна зупинити ще в процесі бродіння, а замість цього виробляти летючі жирні кислоти (VFA) для подальшого каталітичного перетворення на стійке авіаційне паливо. Це може відкрити значні нові сировинні можливості для продукування авіаційного палива, комерційне виробництво якого наразі обмежується гідроочищенням ефірів та жирних кислот з рослинних олій та відходів їстівних жирів та масла. Варто нагадати, що наразі авіаційна галузь глобально є найбільшим споживачем рідкого вуглеводневого палива (керосинів та бензинів), більше ніж споживають інші види транспорту, будівництво, житловий сектор та промисловість разом узяті.

Відходи-у-сировину (waste-to-plastics, WTP) також має певні перспективи.

Загальновизнано, що поточний світовий рівень переробки пластику у кращому випадку 15% є неприйнятним. Без радикального втручання щорічні пластикові відходи у всьому світі зростуть з 250 мільйонів тонн у 2020 р. до майже 350 мільйонів тонн у 2030 р. Головним чином це пов’язане зі збиранням та сортуванням пластику – механічним чи ручним – що є обов’язковою умовою для переробки.

Інша проблема – погіршення властивостей матеріалу під час вторинної переробки – залишається незмінною вадою для всіх типів полімерів. Подібним чином, наявність домішок у відходах пластику також призводить до деградації матеріалу, хоча й вже існують певні рішення. Ці недоліки стосуються навіть пластику, що найкраще підлягає вторинній переробці – поліетилентерефталату (ПЕТ).

Після переробки пластик дуже рідко використовується знову за первинним призначенням. Більшість того, що називають рисайклінгом, насправді переробляється на вторинні продукти, такі як текстиль, килими чи будівельні матеріали. Повторне вторинне використання призводить до того, що перероблений пластик стає ще складнішим для використання – через подальше скорочення полімерного ланцюга та труднощі з сортуванням та забрудненням. Після кількох циклів переробки зі сміття на корисну сировину пластик стає придатним лише для спалювання або утилізації на звалищі. Всупереч зростаючому попиту на вторинну переробку з огляду на поставлені провідними брендами екологічні цілі та показники щодо вторинного вмісту та враховуючи значний податок, який нещодавно призначили в ЄС та у Великій Британії на неперероблені пластикові відходи, економіка технології утилізації залишається складною та витратною.

Проте перспективи має хімічна переробка пластиків. Хімічна переробка має «злетіти, як ракета». І це певною мірою правда: Американське хімічне товариство оголосило перелік із 66 проєктів «передової переробки», оголошених з липня 2017 р. лише в США.

Тому цілком зрозуміло, що у всьому світі діють сотні пілотних проєктів з хімічної переробки. Чи означає це, що наростає хвиля технологічних змін, яка порушить застій та перетворить галузь, яка істотно не змінювалася за останні 50 років? Так. Може й не протягом ближчих 5 років, але врешті – точно так.

Експертами протягом наступних п'яти років дійсно прогнозується значний прогрес у технологіях переробки відходів у паливо, а у випадку переробки відходів з пластмас у сировину найбільші перспективи матиме технологія селективної хімічної переробки. У розвинених країнах ЗГ та біогаз для анаеробного перетравлення довгостроково залишатимуться серед первинних джерел енергії, але зростає наголос на виробництві біометану та як на паливі для галузей, що буде важко декарбонізувати – авіація, важкий вантажний, морський та залізничний транспорт, деякі сектори будівництва. У країнах, що розвиваються, існує величезний потенціал для поширення біотехнологій на невеликі установки для видобутку біогазу, що має витіснити традиційні способи опалення та приготування їжі на звичайному паливі.

Трубопроводи для низьковуглецевих газів

Оскільки тиск зацікавлених сторін зростає, а уряди ухвалюють наміри до повної декарбонізації промисловості, енергетики та сфери будівництва, приймаючи «нульове законодавство» з чіткими термінами впровадження, критично важливу роль у транспортуванні цієї «нової» енергії відіграватимуть трубопроводи. Але це принесе ризики для безпеки та фінансів, якщо не брати до уваги міркування суто щодо нового проєктування, будівництва та експлуатації.

Згідно з цьогорічним звітом DNV прогнозується, що до 2050 р. близько 50% енергетичної системи все ще будуть складатися з вуглеводнів. Трубопроводи залишатимуться критично важливими для транспортування енергії з викопних джерел від місця видобутку до місця зберігання чи до місця споживання.

Трубопроводи також використовуються в нових сферах застосування – для транспортування матеріалів з низьким вмістом вуглецю, таких як водень, або сприятимуть декарбонізації промисловості за допомогою використання та зберігання вуглецевих відходів (CCUS) шляхом транспортування CO₂ від місць масових викидів до місць постійного зберігання або кінцевого використання. DNV та Міжнародне енергетичне агентство (IEA) прогнозують, що попит на CCUS, що транспортуватимуть CO₂, у 2050 році буде приблизно у 100 разів більшим за загальну пропускну здатність приблизно 6500 км трубопроводів, які існують сьогодні.

Тобто трубопровідна система має бути реконструйована чи переналаштована, щоб транспортувати біогаз, водень чи воднево-газові горючі суміші, або вуглекислий газ – для утилізації вуглецю чи для переробки його у вуглеводневі матеріали (пластики, добрива, промислова сировина та очищені сполуки) (див. рис. 5).

Рис. 5. Нові напрямки використання трубопроводів

Рис. 5 висвітлює деякі ключові міркування та різні вимоги до нових та переобладнаних трубопроводів, що транспортуватимуть біогаз, водень чи CO₂. Для переобладнання трубопроводів необхідно здійснити фахову та прискіпливу інспекцію, включно із аналізом історії експлуатації трубопроводу, щоб зрозуміти, які забруднення можуть бути присутніми як від нового продукту, так й від взаємодії попередніх рідин, газів та перекачуваних продуктів з трубопроводом, що може призвести до його корозії / ерозії.

Роль трубопроводів у декарбонізованому майбутньому часто недооцінюється. В умовах енергетичного переходу промислові та побутові споживачі перейдуть від метану до водню, а старі й нові системи мають безпечно працювати поруч.

Багатотермінальні комбіновані мережі HVDC

Мережеві термінали та багатотермінальні високовольтні електромережі постійного струму (HVDC) – це доволі вдале рішення для економічно ефективної інтеграції великомасштабних та віддалених відновлюваних джерел енергії поміж собою та з загальною електромережею. Хоча проєкти HVDC обмежені сумісністю наземних мереж та відсутністю моделей міжрегіональної та міжнародної співпраці, мережі HVDC в Азії продемонстрували свою технічну доцільність.

Для досягнення цілей енерготранзиції потрібна мережа, яка може підтримувати постійно зростаючу частку ВДЕ у енергобалансі як на локальному, так й на міжрегіональному рівні.

З огляду на заплановане особливо швидке зростання генерації з морського вітру, стратегія Європейської Комісії спрямована на збільшення в Європі потужностей передачі такої енергії з поточного рівня 12 ГВт до щонайменше 60 ГВт до 2030 р. та до 300 ГВт до 2050 р. США планують до 2030 р. побудувати велику розгалужену систему генерації з морського вітру потужністю 30 ГВт, переважно біля узбережжя штату Нью-Йорк. Однак наземні електромережі ще не готові впоратися з такими масштабами постачання енергії з морського вітру. Проблеми інтеграції та сумісності включають способи підключення, наявну технологію, збалансування місцевих та регіональних потреб, перетоки, взаємозв’язок з ринком, вартість та інші паралельні виклики щодо впровадження новітніх технологій.

Технологія HVDC – підключення та інтеграція зростаючої потужності відновлюваних джерел енергії вимагає капітального ремонту наявних наземних мереж передачі електроенергії та побудови абсолютно нових систем передачі у віддалених та важкодоступних регіонах, таких як море та пустелі. Необхідність покривати великі відстані з постійно зростаючими можливостями передачі спонукає до швидкої імплементації технології передачі HVDC. Системи передачі HVDC мають низькі втрати та високу керованість у порівнянні з традиційними системами змінного струму.

Ці властивості спонукають до впровадження супермереж, які охоплюватимуть континенти та з’єднуватимуть відновлювані джерела енергії з центрами завантаження через різні національні кордони. Такі супермережі можуть виконувати кілька функцій передачі, включаючи експорт відновлюваної енергії з віддалених джерел, постачання віддалених навантажень, наприклад, морські нафтогазові платформи, наземні синхронні мережі змінного струму та інтеграцію енергетичних ринків шляхом надання можливості обміну енергією та торгівлі через національні кордони. На рис. 6 показано три можливі схеми систем HVDC.

Рис. 6. Типова конфігурація мереж HVDC

Системи HVDC «точка-точка» – традиційна конфігурація систем HVDC, які діють з перетворювачами на кожному кінці лінії HVDC або кабелів.

Такі системи можуть бути розроблені як єдиний проєкт та купуються від одного постачальника. Декілька систем «точка-точка» можуть бути побудовані паралельно або послідовно та з’єднані зі стороною змінного струму для збільшення пропускної здатності або відстані лінії зв’язку.

Непередбачені обставини на одній із ланок постійного струму можна вибірково усунути, відкривши вимикачі перетворювача змінного струму на будь-якому кінці, не впливаючи на інші сполучені з’єднання HVDC «точка-точка». Однак для поступового створення мереж, що складаються з окремих каналів HVDC типу «точка-точка», потрібна велика кількість перетворювачів, витрати на будівництво та експлуатацію, що також вимагає значних втрат електроенергії.

Багатотермінальні системи HVDC – така система HVDC поєднує кілька паралельних або послідовних каналів HVDC на стороні постійного струму, а не на стороні змінного струму. Ці системи мінімізують кількість необхідних перетворювачів та оптимізують використання обладнання шляхом поєднання багатьох функцій систем передачі. Це зменшує витрати як на розробку, так і на експлуатацію.

Існує дві основні багатотермінальні топології мережі.

«Радіальна багатотермінальна HVDC-мережа», не має паралельних шляхів передачі постійного струму (тобто будь-які два термінали або вузли з’єднані щонайбільше одним шляхом передачі). Якщо на одній гілці відбувається відключення, немає резервних паралельних шляхів, які б гарантували безперервність подачі (це відбувається у резервних системах передачі змінного струму на суші).

Кілька радіальних багатотермінальних мереж HVDC з кількістю до 5 терміналів працюють сьогодні в Китаї, а інші розробляються в Європі.

«Багатотермінальна сітка HVDC» – це друга багатотермінальна топологія HVDC, що має паралельні шляхи передачі постійного струму та може продовжувати передачу навіть тоді, коли один з шляхів передачі зазнає пошкоджень. Повне резервування може бути досягнуто, якщо паралельні шляхи мають достатню надлишкову потужність для резервування. В цей час у Китаї працює лише одна мережа HVDC типу «багатотермінальна сітка» з чотирма терміналами.

Максимальна втрата подачі на підключених мережах змінюваного струму – один із важливих параметрів, який має бути врахований при проєктуванні мереж HVDC. Найбільший непередбачений випадок у мережі HVDC, такий як несправність кабелю, ніколи не повинен перевищувати максимальну втрату подачі на інтерфейсі мережі змінюваного струму. Це відбувається тоді, коли загальна потужність передачі мережі HVDC в синхронну зону не перевищує локальні максимальні втрати подачі. У разі радіальних багатотермінальних систем HVDC це встановлює верхню межу для характеристик окремих контурів HVDC й вимагає вибіркового усунення несправностей (захисту) елементів постійного струму у мережі HVDC.

Перехід у проєктуванні від декількох взаємопов'язаних систем HVDC типу «точка-точка» до радіальних багатотермінальних систем HVDC вмотивований потенціалом зниження як інвестиційних, так й експлуатаційних витрат. Розвиток віддалених ВДЕ у поєднанні з необхідністю зміцнення діючих мереж передачі та інтеграції енергетичних ринків породжує потребу в таких системах передачі, як багатотермінальна мережа HVDC.

Розвиток «сітчастих» HVDC, у порівнянні з радіальними, більш вмотивований технічними аргументами системної інтеграції, аніж вартістю.

Нові технології акумулювання

Рух до декарбонізованої електроенергетичної системи потребує гнучкості. З огляду на високу частку енергії з сонця та вітру, енергосистема повинна мати велику кількість ESS на всіх рівнях.

Попри масовий розвиток різноманітних технологій зберігання й накопичення електроенергії (ESS), в побутовому та комунальному секторі опалення / охолодження та інших сферах HVAC ще довго переважатимуть літій-іонні акумулятори. Протягом наступних 30 років потужності зберігання в комунальних підприємствах та у побуті зростуть на 160% до 7,3 ТВт·год (див рис. 7).

Рис. 7. Технології зберігання електроенергії в побутовому та комунальному секторі, 1990-2050.
Джерело: Energy Transition Outlook 2021

Літій-іонні акумулятори змінили всю галузь портативної електроніки, дали поштовх розповсюдженню електромобілів та стали невід'ємною частиною інфраструктури відновлюваних джерел енергії – як автономних, так й сполучених з мережею. Масштабне виробництво швидко скоротило вартість та збільшило щільність енергії літій-іонних акумуляторів, зробивши можливими довговічні портативні електронні пристрої та електромобілі. Завдяки вдосконаленим Li-Ion батареям очікується, що половина легкових автомобілів, проданих у всьому світі у 2032 році, будуть електричними.

Прогнозується, що з нинішнього рівня вартості в 2020 р. Li-Ion батареї подешевшають до 2050 р. більше ніж втричі.

Системи довготермінового зберігання енергії в побутовому та комунальному секторі насамперед пов’язуються із воднем. Також стануть більш доступними паливні елементи різних типів (див. рис. 8), які поки що є доволі дорогими рішеннями.

Рис. 8. Принципова схема роботи паливного елемента

Перетворення дешевої електроенергії, отриманої зі змінюваних ВДЕ (VRES) на інші енергоносії, такі як водень, додадуть ще більшої гнучкості, але вони потребують певних капіталовкладень в розвиток цієї технології акумулювання.

Запровадження розумних лічильників та інтелектуальних мереж, постійні інвестиції у міжмережеві з'єднання між системами фізичної передачі та у диспетчерську комунікацію між центрами виробництва енергії й споживання також сприятимуть кращому використанню надлишкового обсягу генерації з ВДЕ.

Нові технології видобутку енергії та доставки енергоносіїв

Як і раніше, найбільші очікування в технології видобутку енергії ближчими роками пов’язуються з виходом у комерційну площину реакторів з водневим (термоядерним) синтезом. Існують дуже обнадійливі перспективи виводу на ринок декількох технологій малогабаритних, та як запевняють, надбезпечних ядерних реакторів, що будуть придатними до вжитку у комунальному секторі та у місцевих громадах для електричного опалення та для когенерації тепла та електрики (див. рис. 9).

Рис. 9. Малий комерційний термоядерний реактор типу «Токамак».
Джерело: Energy Transition Outlook 2021

МАГАТЕ має у своєму переліку близько 70 схвалених проєктів малих ядерних реакторів (SMR) різного рівня готовності від концептуального до експлуатаційного, з них 6 – спеціально для морського застосування. Нові атомні конструкції будуть працювати на збідненому паливі з відносно малим рівнем радіації, вимагатимуть лише кількох спеціалістів-операторів та забезпечуватимуть генерацію енергії таким чином, щоб забруднення навколишнього середовища не могло статися навіть у надзвичайній ситуації або у разі втрати охолодження.

Дуже широку перспективу мають танкери для транспортування нафти та зрідженого природного газу (LNG), що працюватимуть не на органічному паливі, а використовуватимуть ядерні рушійні установки. Також це стосуватиметься великих вантажних суден для транспортування контейнерів – декілька відповідних транспортних засобів вже перебувають на стапелях. На найбільші 1000 суден наразі припадає близько 10% викидів всього світового судноплавства та близько 0,3% від всіх світових шкідливих викидів.

Невелика ядерна енергетична установка може стати деінде привабливою заміною для невеликих комунальних підприємств, що працюють на газі, вугіллі чи мазуті та для віддалених місць. Іншими можливими сферами застосування є установки для опріснення, для глибокого очищення води, установки для виробництва водню, для транспорту, наприклад, на великих суднах, установках морського базування, великих плавучих багатофункціональних платформах та, потенційно, на космічних апаратах.

Проте навіть якщо мала ядерна енергетика стане конкурентоспроможною у порівнянні із ВДЕ, суспільне прийняття атомних електростанцій, безумовно, є неприйнятним ризиком у деяких країнах. Також не тішить перспектива лише з часом та на гіркому досвіді з’ясувати, чи насправді конкретна технологія ядерного синтезу виявилася настільки чистою та безпечною, як було розрекламовано та запевнено, щоб стати дійсно прийнятною.

Електромобілі та їх інтеграція в загальну електромережу

Швидке розповсюдження електромобілів – мабуть, найкращий приклад взаємозв’язку й взаємозалежності різних технологій, що стосуються ВДЕ та енерготранзиції в цілому.

Транспорт вносить значний внесок у викиди CO₂, що наразі становить 27% (118 EJ) від світового попиту на енергію, причому понад 3/4 цього надходить від автомобільного транспорту. До 2050 р. кількість транспортних засобів на дорогах зросте приблизно на 60%, однак їх потреба в енергії скоротиться до 84% від сьогоднішніх рівнів через революцію електромобілів за цей період. Три основні рушії цієї революції – це декарбонізація, контроль забруднення повітря та дешевші електромобілі.

Типовий акумуляторний електричний транспортний засіб (BEV) сьогодні за весь термін його служби (включно з виробництвом) продукує менше половини викидів CO₂ порівно із середньостатистичною європейською легковою автівкою. Щоб зменшити рівень забруднення, понад 30 міст та країн по всьому світі планують заборонити дизельні та бензинові транспортні засоби до 2025 або 2030 рр. Вартість акумуляторних батарей зменшується на 19% відповідно кожному подвоєнню виробництва, що призведе до того, що пасажирські електромобілі досягнуть паритету загальної вартості володіння у порівнянні з авто із двигунами внутрішнього згоряння вже в наступному 2022 році.

Досягнення хімії літій-іонних акумуляторів, конструкцій комірок та систем управління акумуляторами у поєднанні з величезним зростанням обсягів виробництва призвели до того, що щільність енергії акумуляторних елементів зросла від 150 Вт·год/кг у 2010 році до 300 Вт·год/кг сьогодні. Вартість акумуляторного блоку знизилася з >1100 $/кВт·год у 2010 році до приблизно 140 $/кВт·год у 2021 р. Це у поєднанні із спеціалізованими конструкціями BEV, поліпшенням ефективності двигунів та використанням теплових насосів для контролю температури салону призвело до появи нових пасажирських BEV для масового ринку з загальною вартістю володіння, що є майже еквівалентною звичайній автівці з автономним ходом на 400 км та більше.

Протягом 5 років очікується, що витрати на акумулятор для легкового автомобіля будуть нижче 80 доларів $/кВт·год, середній запас енергії батарейного блоку – понад 100 кВт·год з середнім запасом ходу автомобіля – понад 600 км. Якщо чинні державні стимули для електромобілів збережуться, очікується масовий перехід на електричні двигуни: у Європі до 2026 року 50% продажів нових транспортних засобів становитимуть саме BEV, у Північній Америці, Китаї та ОЕСР, у Тихоокеанському регіоні – невдовзі після цього (рис. 10).

Рис. 10. Перспективи розповсюдження батарейних пасажирських легкових електромобілів по регіонах світу.
Джерело: Energy Transition Outlook 2021

Але особливу перевагу у енерготранзиції обіцяє технологія V2G – залучення BEV до побутової чи комунальної електромережі на додачу чи на заміну локального ESS. Таке рішення має чисельні переваги щодо стабілізації електромережі та зняття пікових перенавантажень, викликаних як тимчасовим добовим зростанням попиту на енергію, так й стосовно перегенерації від VRES (насамперед – від сонця та вітру).

Виробництво «зеленого водню»

Воднева економіка зростає, й DNV прогнозує, що глобальний попит на водень як енергоносій зросте практично з нуля у 2019 р. до 24 ЕДж/рік у 2050 році. Застосування в основному відбуватиметься у виробничому та транспортному секторах – використання водню (окрім енергії) в якості сировини (наприклад, для виробництва добрив чи інших хімічних сполук) (див. рис. 11). Так званий «зелений водень» виробляється шляхом електролізу й споживає енергію з ВДЕ. На базовому рівні електроліз розщеплює воду (H₂O) на водень (H₂) та кисень (O₂) шляхом подачі на електроди електричного струму. Найбільш поширеними наразі є 4 основні технології виробництва «зеленого водню».

Рис. 11. Використання «зеленого водню» як енергоносія по секторах економіки.
Джерело: Energy Transition Outlook 2021

Подібно до електромобілів за технологією V2G, «зелений водень» є потужним засобом стабілізації енергосистеми регіонального національного та континентального масштабу, що може з користю використати перегенерацію від ВДЕ за добовий, тижневий місячний чи сезонний період. Окрім цього, розвиток технології «зеленого водню» безпосередньо пов'язаний із розвитком мережі (перепрофілюванням) трубопроводів для низьковуглецевих газів (див. вище).

Видалення, збір та зберігання вуглецю

Міжурядова група експертів з питань змін клімату (МГЕЗК, англ. Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) та Міжнародне енергетичне агентство (МЕА; англ. International Energy Agency, IEA) підкреслюють, що масштабне впровадження технологій захоплення (видалення), збору та зберігання вуглецю (CCS) є необхідною складовою досягнення кліматичних цілей за Паризькою угодою.

Хоча власне технологія CCS давно існує, але вона досі вважається незрілою й в цілому називається ризикованим відволіканням від інших «кращих» шляхів декарбонізації. Проте сьогодні помітне відновлення цікавості до цієї технології, оскільки вона стає ефективним інструментом для досягнення безкарбонових викидів та переходу енергетику та промисловість з нульовими викидами у майбутньому.

В таблиці 2 наведені 4 основні типи технологій використання та зберігання видаленого з атмосфери вуглекислого газу (CCS) та їх використання.

Таблиця 2. Чотири основні типи технологій видалення, використання й зберігання діоксиду вуглецю.
Джерело: Energy Transition Outlook 2021

У 2020 році в усьому світі працювало лише 26 комерційних установок для CCS, які збирали трохи менше ніж 40 млн т CO2. За останнім сценарієм від IEA щодо нульових викидів до 2050 р. потрібно, щоб до 2030 р. глобально видалялося близько 1,6 Гт техногенного CO2 на рік, а до 2050 р. – вже 7,6 Гт CO₂ на рік. Отже, IEA прогнозує незначне зростання CCS протягом наступних 5 років та швидке розширення протягом наступних 25 років.

Група DNV також прогнозує істотне масштабування CCS протягом наступних трьох десятиліть завдяки збільшенню оплати за викиди вуглецю у Європі. Системи CCS будуть надавати платні послуги для тих компаній, які не можуть власним коштом здійснити модернізацію виробництва з метою зменшення власних викидів парникових газів – тобто вони продаватимуть «квоти» з утилізації парникових газів. Однак, оскільки конкурентоспроможне ціноутворення на CCS у таких індустріально розвинених країнах як Китай та Індія не очікується аж до 2035 року, тому більш вірогідним вбачається дещо обмежене зростання у порівнянні з довгостроковим сценарієм IEA – тобто до 2050 року глобальна потужність CCS становитиме лише близько 2,2 Гт CO₂ на рік.

Рис. 12 ілюструє вилучення вуглецю з різних промислових об’єктів та у виробництві електроенергії, транспортування трубопроводами та кораблями з геологічним накопиченням CO₂. Зображення – з Білої книги від Норвезького міністерства нафти та енергетики, 2020 р.

Рис. 12. Приклади застосування CCS у промисловості та у виробництві електроенергії.
Джерело: Energy Transition Outlook 2021

Прогнози споживання електроенергії

Електрифікація є ключовою для поточної енерготранзиції.

Попит на електроенергію зросте більш ніж удвічі з 2050 р., а частка змінних відновлюваних джерел енергії (VRES) у загальній суміші генерації електроенергії зросте з 8% сьогодні до 69% виробництва електроенергії у 2050 р. У 2019 р. лише 26% електроенергії видобувалося з відновлюваних джерел. До 2050 р. ця частка зросте до 82% разом із значними змінами у гнучкості та зберіганні, про які ми розповімо у наступних розділах.

Зростаючи майже на 3% на рік, досягнувши приблизно 20000 ГВт·год у 2050 році, попит на електроенергію випереджатиме економічне зростання, попри постійне підвищення ефективності. Це пояснюється появою великої кількості нових категорій попиту, які становитимуть 35400 ТВт·год на рік до 2050 р. Наприклад, електрифікація автомобільного транспорту (2,8 млрд електромобілів до 2050 р.) відповідає за 1/5 частину. Електролізери, що вироблятимуть «зелений водень», потребуватимуть 23%, нові вимоги до охолодження помешкань та інших категорій нерухомості – 11%, подібна частка припадатиме на зростаючу підкатегорію машин, двигунів та приладів (див. рис. 13), які частково будуть використовуватися в інженерних системах будівель, як то кажуть, «випереджуючими темпами». Також варто звернути увагу, скільки електроенергії буде використовуватися для опалення/охолодження та в інших секторах HVAC.

Рис. 13. Споживання електроенергії за секторами економіки.
Джерело: Energy Transition Outlook 2021

Сектор нерухомості спільно з житлом споживатиме на 26% більше енергії у 2050 році, ніж у 2019 р., збільшивши свою частку з 28% до 1/3 світового споживання енергії.

Кількість населення зростає та очікуваний ріст добробуту призведе до швидкого розширення міської площі (як комерційної, так і житлової) на 62%. Протягом наступних трьох десятиліть потреби на охолодження простору збільшаться в 4 рази через зростання рівня життя та зміни клімату. З іншого боку, попит на опалення приміщень зменшиться на 17% внаслідок значної ефективності, яку забезпечують електрифікація та теплові насоси, які продукують набагато більше корисної теплової енергії, ніж споживають енергію у вигляді електрики. Попит на електроенергію від побутової техніки та освітлення подвоїться – ефективність виробів продуктів для кінцевого споживання буде помірно, але неухильно підвищуватися. Інші кінцеві види використання, такі як приготування їжі та нагрівання води для ГВП, залишатимуться відносно стабільними, оскільки підвищення ефективності, зокрема перехід на сучасні методи та технологічні рішення, збалансує будь-який додатковий попит в цьому секторі.

Із швидкою втратою позицій з 2026 р. споживання вугілля до 2050 року скоротиться майже на 75% від теперішніх потужностей. Газ, спалення якого залишиться конкурентоспроможним надовго, його споживання й відповідні потужності скоротяться лише на 22% від поточного рівня. Гідроенергетика зіштовхнеться з обмеженням ресурсів, що зменшить її частку у світовому споживанні електроенергії з 16% у 2019 році до 12% у середині століття.

У цьому десятилітті, яке оголошене ООН «Десятиліттям дій щодо досягнення цілей сталого розвитку», світова спільнота сфокусована на проблемах так чи інакше пов’язаних зі зміною клімату як ніколи раніше. Успіх потребуватиме повноцінного мислення щодо трансформації енергетичної системи та поєднання всіх пов’язаних аспектів, що починається з об’єктивного аналізу, знань, реалістичного розуміння новацій та перспектив для діючих технологій, що наразі використовуються. Деякі з них не зникнуть, а, навпаки, розширять свій вплив. Деякі технології відійдуть в минуле. Деякі інновації стануть провідними. Власне такими є перспективи розвитку для десяти ключових «зелених» технологій, що формуватимуть темпи енерготранзиції у найближчі п’ять років.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 3 499