Переход от одного энергоносителя к другому прежде всего связан с технологическими изменениями, появлением и успешной коммерциализацией новых технологий. Текущий четвертый энергетический переход обусловлен развитием и заметным удешевлением технологий ветровой и солнечной электрогенерации. За десятилетие себестоимость выработки электроэнергии на оффшорных (морских) ветроэлектростанциях снизилась более чем в 2 раза, а за счет использования солнечных панелей – более чем 6 раз (см. Рисунок 8.3). В межтопливной конкуренции возобновляемые источники энергии стали постепенно выигрывать у традиционных энергоносителей, прежде всего, у углеводородов.
Рисунок 8.3. Стоимость выработки электроэнергии за счет разных вариантов генерации, 2009–2023 гг. (учтена стоимость не поддерживаемых государством проектов (Unsubsidized LCOE))
Источник: LCOE Lazard, April, 2023, P. 9. URL: https://www.lazard.com/research-insights/2023-levelized-cost-of-energyplus/
Показательная ситуация сложилась в США в 2020 г. (см. Рисунок 8.4). По объемам выработки электроэнергии возобновляемые источники сравнялись с угольной электрогенерацией.
Рисунок 8.. Ежегодная выработка электроэнергии по всем видам генерации, трлн кВт/ч (1950–2020 гг.)
Источник: Возобновляемые источники энергии стали вторым по распространенности источником электроэнергии в США в 2020 году. URL: https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=48896
Существует много технологических решений, определяющих успешность трансформации электроэнергетики и способных содействовать развитию возобновляемой энергетики в будущем. К числу ключевых перспективных направлений и технологических решений можно отнести:
Развитие рынка батарей
Батареи для коммунального сектора (Utility-scale batteries) обеспечивают стабилизацию частоты, аварийный запуск системы из обесточенного состояния. Система аккумуляторов помогает отсрочить необходимость инвестирования в пиковое производство и расширение масштабов энергосистем. Возможно также хранение излишков энергии. В паре с возобновляемыми генераторами батареи позволяют производить электроэнергию в изолированных сетях и удаленных поселениях.
Небольшие стационарные батареи (Behind-the-meter batteries) могут обеспечивать поддержку напряжения, частоты и других показателей для системных операторов. Они также позволяют снизить традиционные инвестиции в передачу, распределение и генерацию электроэнергии, помогая уменьшить пиковую нагрузку в системе. В системах мини-сетей на основе ВИЭ аккумуляторы обеспечивают стабильность работы и способствуют замене дизельных генераторов.
Новые технологии хранения энергии, водородная энергетика
Водородная энергетика (Hydrogen energetics). «Зеленый» водород решает две принципиальные проблемы энергетики: неравномерная загрузка сети и нестабильная выработка ВИЭ.
Криогенные системы хранения (Cryogenic system of storage). Данные системы обеспечивают поддержку системы передачи и распределения электроэнергии. Длительное хранение энергии может позволить операторам усилитьразвитие возобновляемой энергетики без необходимости использовать энергию ископаемого топлива для компенсации перебоев в поставках электроэнергии от ВИЭ.
Новые электросети
Суперсети (Supergrids) обеспечивают более высокую надежность энергоснабжения, доступность генерирующих мощностей, снижение стоимости электроэнергии в регионах, гибкость системы.
Мини-сети (Mini-grids) создают возможность для увеличения доли переменных ВИЭ за счет расширения их внедрения, а также предоставляют основной сети ряд услуг: обеспечение гибкости, внедрение распределенных энергетических ресурсов. Они обеспечивают повышение надежности поставок, экономию электроэнергии.
Технологии улавливания и хранения CО2
Улавливание и хранение СО2 / CCU, CCS (Carbon capture and utilization) является шагом по минимизации выбросов CO2. Благодаря этому технологическому решению энергия, полученная за счет ВИЭ, может быть использована для производства относительно дешевого «зеленого» водорода.
Цифровые технологии
Искусственный интеллект (Artificial intelligence) делает возможным прогнозирование природных условий, энергопотребления зданиями, выработки ВИЭ, потерь в электрических сетях и т. д.; позволяет проводить оптимизацию работы микросетей и фотоэлектрических панелей; энергопотребления. Обеспечивает эффективное управление спросом: повышение эффективности взаимодействия энергосистемы и потребителей.
Интернет вещей в энергетике (Internet of Energy) обеспечивает возможность подключения большого количества децентрализованных объектов на основе интеллектуальной сети (Smart grid): объекты производства электроэнергии на ВИЭ, хранение электроэнергии с помощью батарей, бытовая техника, интеллектуальные измерительные устройства. Благодаря интернету вещей становится возможно: удаленное управление энергопотреблением; распределенная генерация: экономия электроэнергии, самостоятельное производство энергии с помощью объектов ВИЭ; распространение возобновляемых технологий среди конечных потребителей, в том числе домохозяйств; корректировка производства в учетом спроса в реальном времени, уравновешивание спроса на энергию.
Блокчейн (Blockchain) делает возможным создание и внедрение мини-сетей, которые объединяют конечных производителей энергии из ВИЭ. Становится возможным создание платформ, которые позволяют инвестировать в ВИЭ, по всему миру.
Новые технологии, способствующие электрификации конечных секторов экономики и развитию ВИЭ
Интеллектуальная зарядка электромобилей (Electric vehicle smart charging). Интеллектуальная зарядка снижает затраты, связанные с развитием местных электросетей, смягчает пики спроса на электроэнергию.
Преобразование ВИЭ в тепло (Renewable power-to-heat). Электрификация отопления позволяет снизить углеродоемкость энергетического сектора. Использование тепловых насосов и электрических котлов способствует интеграции ВИЭ в единую энергетическую систему, регулированию пиковых нагрузок.
Инновационные энергетические технологии ВИЭ. Перспективные возобновляемые источники энергии (Forward-looking RES)
Морская (оффшорная) солнечная энергетика (Offshore solar). Морская солнечная энергетика является решением проблемы нехватки свободных земель, их высокой стоимости. Технология также является более продуктивной по сравнению с наземными аналогами. КПД технологии примерно на 15% выше, чем у аналогичных береговых проектов.
Морская (оффшорная) ветряная энергетика (Offshore wind). Более высокая продуктивность выработки энергии за счет более высокой и постоянной скорости ветра. Большие мощности и размеры ветрогенераторов, чем у наземных ветряных турбин.
Волновое энергетическое устройство (Novel wave energy device). Система улавливает энергию океанских волн. Новая технология не причиняет вреда океанской флоре и фауне, а также позволяет достичь более высокой эффективности преобразования энергии волн.
Перспективные технологии, способные поддержать развитие ВИЭ в ближайшие десятилетия
Фотоэлектрический гибридный солнечный коллектор (Photovoltaic thermal hybrid solar collector). Технология использует солнечный свет и полупроводники для разделения воды на водород и кислород. Новая фотоэлектрохимическая система может повысить эффективность преобразования солнечной энергии в водород с 3% до 9%.
Статические компенсаторы (Statistic compensators). Технология позволяет поддерживать постоянную частоту в электрической сети.
Сверхвысокое напряжение постоянного тока (Ultra High Voltage DC). Позволяет более эффективно передавать электроэнергию на большие расстояния, повышает стабильность, надежность и пропускную способность электросетей.
Межсистемная линия электропередачи (ЛЭП) (Interconnector capacity). Обеспечивает решение проблем, связанных с перебоями в работе электросетей, и повышение покрытия территорий электросетями.
Динамические электрокабели (Dynamic export cables). Кабели позволяют соединить плавучие платформы ВИЭ со стационарным кабелем на морском дне, обеспечивают обслуживание плавучих платформ ВИЭ.
Концентрированная солнечная энергия (Solar concentration technology). Технология дает энергоемким предприятиям возможность заменить использование ископаемого топлива в самых энергоемких и загрязняющих отраслях промышленности.
Внедрению этих и других перспективных технологий способствовали также рост доходов населения, стремление к энергетической независимости, масштабная государственная поддержка новых технологий в сфере зеленой энергетики.
Благодаря внедрению новых, зеленых технологий в энергетическом секторе развиваются тенденции к децентрализации электрогенерации, приближению источников энергии к конечным потребителям, повышению энергоэффективности, изменениям в транспортном секторе.
В перспективе проблему прерывистости выработки электроэнергии возобновляемыми источниками энергии планируется решить с помощью развития водородной энергетики.
Стимулирующим вектором развития ВИЭ становится постоянное удешевление их технологий, что делает их вполне конкурентоспособными с традиционными углеводородами.