Развитие солнечной энергетики в штате Калифорния может изменить всю энергосистему США

В октябре 2015 года губернатор штата Калифорния подписал закон, согласно которому половина всей энергии штата к 2030 году должна производиться из возобновляемых источников. Хотя еще раньше в США поставили цель получить к 2020 году из возобновляемых источников одну треть энергии.

Для штата Калифорния достижение таких показателей вполне реально. Ведь стоимость солнечной энергии стремительно падает и дешевле построить и обеспечивать работу солнечной электростанции (с учетом существующих субсидий), чем поставлять топливо на станцию, работающую на природном газе.

Кроме того, такие европейские страны, как Испания и Германия (которая также имеет целью получение из ВИЭ 50% энергии к 2030 году) достигли громадных успехов в солнечной энергетике и могут помочь ценными советами.

Природные условия в штате Калифорния для солнечной энергетики почти идеальные. Это большие пустыни и заросли кустарника, большую часть дня здесь безоблачно и практически отсутствует пыль, которая досаждает в пустынях в других частях мира. Кроме того, недалеко основные городские районы и есть инфраструктура для передачи энергии.

3200 зеркал, окружающих центральный силовой блок электростанции Solana в Аризоне.

Но существуют и некоторые проблемы. Так, осуществление заявленной цели это не просто увеличение нагрузки на сеть, но также вызов, брошенный экономическим основаниям, на которых построена вся американская энергосистема. Чтобы обеспечить половину поступления энергии из ВИЭ, необходимо полностью переосмыслить то, как управляются электрические сети.

На сегодняшний день, основным элементом, который используется в фотоэлектрике, является кремний и в этой области заметны постепенные улучшения, которые вероятнее всего, продолжатся. Но вряд ли мы увидим здесь радикальные скачки. Да, существует целый ряд областей активных исследований, связанных в первую очередь с концентрацией солнечной энергии. Это технологии, предполагающие фокусировку солнечного света с помощью высокоэффективных (но очень дорогих) фотоэлектрических устройств. Но до сих пор разработка ни одной из этих технологий не завершена и не может конкурировать с традиционными кремниевыми технологиями.

Электроэнергия, получаемая с помощью кремниевых солнечных батарей, стоит дешево, но сами панели составляют лишь малую часть общих расходов на установку всей системы. Это обстоятельство делает экономически оправданными технологии концентрации солнечного света. Поскольку стоимость установки и получения разрешений доминирует в цене фотовольтаики, требуется получать большее количество энергии с каждой панели — что позволяют концентрирующие солнечные установки. Однако нет уверенности в том, что это обстоятельство изменит ценовую тенденцию в солнечной энергетике.

Также следует учитывать стоимость установки, не связанную с какими-либо технологическими решениями, а именно упрощение процесса выдачи разрешений. В Европе на сегодняшний день получение согласовательных документов обходится значительно дешевле, чем в США.

В некоторых вопросах помогает политика правительства США, которое обеспечивает субсидирование проектов возобновляемой энергетики. Недавно субсидии для солнечной энергетики продлены еще на пять лет. Новые строительные проекты, которые начаты до 31 декабря 2019 года, получат корпоративный налоговый кредит в размере 30%, при постепенном снижении его доли, в зависимости от даты начала строительства, в соответствии со следующим графиком:

• 2017-2019: 30%
• 2020: 26%
• 2021: 22%
• 2022+: 10%

Следует отметить, что рынок на сегодняшний день вырос до точки, где политика США не имеет большого влияния на глобальное производство. Цены падают или упали так, что, по крайней мере, с международной точки зрения, эти технологии вполне конкурентоспособны и есть подозрения, что возникнет проблема недостаточности производственных мощностей в США. Хотя для Калифорнии не должно быть проблем с закупкой оборудования, учитывая, что в мире производство продолжает наращиваться.

Наибольшей проблемой при достижении показателя 50% из ВИЭ станет избыток произведенной энергии. В данное время штат получает энергию от нескольких источников, которые просто так не могут быть закрыты, это комбинированные системы производства тепла и электроэнергии, и, к примеру, атомные станции.

По прогнозам аналитиков, при достижении отметки 40% из ВИЭ штат получит 5 ГВт избыточной мощности в солнечный полдень. А при условии получения половины энергии из возобновляемых источников, перепроизводство составит около 20 ГВт.

Однако к 5 вечера перепроизводство заканчивается. Тогда, когда люди приходят домой с работы и начинается период наибольшего спроса в течение дня, приходится использовать резерв электричества и импортировать его из других штатов для удовлетворения внутренних потребностей.

В результате анализа выяснилось множество способов ограничить влияние перепроизводства электроэнергии, самое простое из которых хранение.

Калифорния поставила целью создание в течении десятилетия дополнительного хранилища на 1,3 ГВт электроэнергии. В настоящее время имеется возможность накопления около 3 ГВт, которые обеспечивает гидроаккумулирующая ГЭС, что является наиболее экономичным видом хранения. Но в связи с недавней засухой не ясно, будут ли эти мощности в любой момент доступны. В любом случае, этого недостаточно для поглощения всего перепроизводства, даже если предположить, что в начале дня резерв хранения пуст.

Другие варианты включают диверсификацию различных ВИЭ, используемых для достижения цели 50%. Если будет реализована возможность сочетать фотоэлектрическую энергию с другими источниками, такими как биомасса, энергия ветра, геотермальная и солнечная тепловая энергия, перепроизводство сократится примерно наполовину.

Дальнейшие усилия по интеграции сети Калифорнии с сетями соседних штатов также позволят экспортировать часть избытка. Все это поможет в той или иной степени, хотя вероятно, что от некоторого количества полученного электричества придется избавиться.

За все приходится платить. Достижение показателя в сети 33% из ВИЭ несущественно увеличит тариф для населения Калифорнии; цены будут подниматься планово для оплаты обязательных работ. Однако уже при показателях 50% из ВИЭ, по оценкам экспертов, налогоплательщиков штата ожидает вынужденное увеличение оплаты в пределах от 9 до 23 %.

На данный момент, учитывая стимулирование, установка фотоэлектрических панелей сможет окупиться в долгосрочной перспективе. Но стоит отметить, что это большие первоначальные инвестиции, которые окупаются долго. Хотя разработаны различные лизинговые соглашения, которые предполагают часть нагрузки переложить на потребителей, большие затраты и долгое время окупаемости выступают большим барьером.

Переход на 50 % из ВИЭ означает, что электроэнергия, выработанная с помощью новых возобновляемых источников энергии, будет конкурировать за клиентов с существующими источниками, которые работают на ископаемом топливе. ВИЭ имеют ключевое преимущество в этом соревновании. Электростанции, работающие на ископаемом топливе, должны за счет продажи электричества покрыть стоимость сжигаемого топлива, чтобы снова произвести закупку ископаемого топлива. Электростанция на ВИЭ, после того, как её построили, далее функционирует без затрат на закупки топлива. В результате всегда возможно уменьшение цены на такую электроэнергию.

Следует также отметить важность стабильной работы сети. Сеть должна иметь возможность обеспечивать мощность во время пиков спроса и базовую нагрузку во время минимального уровня спроса, а также быть в состоянии обрабатывать резкие колебания спроса или предложения. Традиционные методы генерации, которые работают, используя принцип вращения достаточно больших масс, обладают свойством инерции. Инерция этих систем помогает ослабить внезапность каких-либо изменений, превращая внезапные скачки в постепенную кривую.

Фотоэлементы не имеют движущихся частей и, следовательно, также никакой инерции. Это может создать проблему. По словам экспертов, на сегодняшний день технологии решения этих проблем существуют, вопрос в правильной цене. Например, тепловые солнечные системы, где с помощью зеркал фокусируется солнечный свет для нагрева жидкости, а паровая турбина обеспечивает инерцию. Так как тепло может храниться достаточно эффективно, его можно использовать как элемент хранения, который легко покрывает вечерний всплеск спроса, когда люди приходят домой с работы.

Также отмечается, что при борьбе с вечерним всплеском можно просто направить фотоэлектрические панели на запад, а не на юг. Но так как вся электроэнергия стоит одинаково, обычно ориентируют их на юг для достижения максимальной производительности.

Что касается аккумуляторов как элемента обеспечивающего функцию хранения, эксперты отмечают, что их использование может быть экономически выгодным при сегодняшних ценах во многих районах США. Аккумуляторы могут поглотить избыточное производство в дневное время, чтобы удовлетворить спрос в течение ночи, и они могут быстро переключаться из режима заряда в режим разряда для того чтобы стабилизировать сеть.

Еще одна технология, которая может помочь для управления спросом, также известна как умные сети (smart grid). Здесь предприятия могут установить розничную цену на электроэнергию в зависимости от объема поставок; потребители, с конкретным техническим обеспечением, могут реагировать на ценообразование и откладывать использование приборов или зарядку своих транспортных средств при высокой цене. На данный момент, однако, в США только начинают экспериментировать с подобным динамическим ценообразованием.

Также поможет лучшее взаимодействие сетей. На данный момент, многие из региональных сетей в США работают на разных частотах, а это значит что электроэнергия, чтобы перетечь в другую сеть, должна быть преобразована в постоянный ток, а затем снова в переменный ток для передачи в другую сеть. Это ограничивает способность соседних штатов извлекать пользу из любой избыточной генерации в Калифорнии, а также возможности Калифорнии эффективно управлять энергией в своей сети.

Еще один фактор, который может помочь решить проблему, — разнообразие видов ВИЭ. Вполне очевидно, что солнце и ветер могут дополнять друг друга. Хотя каждый из них имеет непостоянный характер, важен тот факт, что когда на небе облака, как правило, много ветра.

Переход на возобновляемые источники энергии не обязательно будет происходить легко без экономических потрясений, особенно для компаний, которые инвестировали значительные средства на рынке электроэнергии и в настоящее время хорошо структурированы. Но если мы хотим увидеть, что произойдет в конечном итоге, нужно просто продолжать наблюдать за ситуацией в Калифорнии.

Виктор Коваленко

По материалам: arstechnica.com и nccleantech.ncsu.edu