Хабрахабр

Солнце 24х7: Расчет EROEI

За последние 10 лет солнечная энергетика стремительно перешла от “игрушек” к серьезнейшим проектам, и продолжение кривой этого взлета обещает в будущем тотальное доминирование этого типа генерации. Или нет? В попытках прогнозирования тут сломано немало копий и основных претензий две: солнце через облака и ночью не светит (т.е. переменчивость источника) и высокая энергоемкость производства солнечных батарей, и эта энергия не возвращается за время работы последних. (EROEI

Однако, такой подход явно усугубляет проблему с EROEI и со стоимостью электроэнергии. Технически первая проблема с переменчивостью решаемая — необходимо просто построить побольше солнечных батарей и аккумулятор достаточной емкости. Поэтому решил посчитать сам, и получил довольно неожиданный результат, о котором в конце. Стоимость можно посмотреть в обзорах Lazard, а вот попыток просчитать EROEI для солнечной электростанции с аккумулятором я не видел.

Почему в Аризоне? Для оценки давайте рассчитаем электростанцию с литий-ионным аккумулятором, расположенную в городе Юма, штат Аризона, США. Если тут EROEI окажется меньше единицы, то это будет означать большие проблемы у солнца в качестве базового источника электроэнергии (на сегодня). Это очень хорошее место для солнечных ЭС (одно из лучших в мире) и по нему есть много информации. Если же EROEI окажется выше, то с учетом анализа, который мы собираемся произвести, можно будет легко применить полученный расчет к любому месту в мире.

Солнечные батареи этой станции выполнены по тонкопленочной технологии из полупроводника CdTe, который отличается от кремния гораздо лучшими затратами энергии на киловатт мощности батарей, однако проигрывает по стоимости.
Литий-ионник выбран по причине явной универсальности такого решения: если гидроаккумулятор требует подходящего ландшафта, то электрохимические можно ставить фактически где угодно. image
В Юме, кстати, расположена довольно крупная СЭС Agua Caliente Solar Project мощностью 250 мегаватт, только не 24х7. инверторы данной системы могут практически мгновенно переключаться с зарядки на разрядку) и перспективы дешевения (за последние 10 лет цена 1 киловатт*часа литий-ионной ячейки упала с 1000 до 130 долларов). На самом деле, у литий-ионных аккумуляторов в реальности есть еще пара преимуществ: возможность играть на пиковом спросе (т.к.

Поместим нашу СЭС “24х7” в городок Yuma, Arizona с координатами 32. Итак, допустим, нам нужна электростанция, выдающая 300 МВт 365 дней в году, 24 часа в день, что соответствует производству 7200 МВтч каждые сутки и 2,6 ТВт*ч э/э в год — примерно 35% от гигаваттного энергоблока АЭС. 62769° западной долготы. 69265° северной широты и 114.

и т.д. Ровно с этого места (как закончилось ТЗ и началась реализация) начинаются сложности: дело в том, что станцию можно оптимизировать по EROEI довольно здорово, например, если задаться не односуточным аккумулятором, а двухсуточным, что в свою очередь изменит оптимальный наклон батарей и т.п. К сожалению, у меня есть не так много времени, поэтому цифры EROEI получатся в итоге не самыми оптимальными, но уж что есть. Что бы найти оптимом по настоящему, а не случайный, необходимо в этом этапе сделать нормальную инженерную проработку. Любой желающий может потом написать в комментариях и получить спредшид с почасовым моделированием, в которых я считал станцию, и улучшить результат сам.

Например, за счет дикой переразмеренности, наша станция совсем не ощущает сезонные колебания, которые достигают для широты 30 градусов примерно +-20% от среднего значения, а системно именно сезонные колебания будут определять будущее солнечной энергетики.

Для наших 2,6 ТВт*ч и 32 градусов северной широты нужен аккумулятор в 234 ГВт*ч — безумно много. image
Кривая на графике показывает объем аккумулятора в процентах от годовой генерации, который нужен для сглаживания сезонных колебаний, если СБ сделаны «в размер».

Как мы увидим дальше, ее электрохимический аккумулятор будет довольно большим и работать в основном с глубиной разряда меньше 50%, что обеспечивает срок жизни (для LiFePo) не хуже 10000 циклов до деградации 20% емкости. Начнем расчет с самого простого — “энергодохода” нашей электростанции. 10к циклов — это 27 с копейками лет, давайте ограничимся 25 годами до полного обновления станции, а отброшенный остаток скомпенсирует нам неучитываемую деградацию панелей и аккумуляторов.

Но во сколько джоулей обойдется строительство такой станции? Итак, за 25 лет станция должна по ТЗ поставить 65,7 ТВт*ч — это наш числитель в расчете EROEI. Давайте для начала посмотрим необходимый набор оборудования.

Он опирается на таблицу значения инсоляции солнца для нашей точки, взятую из “стандартного метеорологического года” — базы данных метеорологических параметров для территории США с гармонизированными значениями. Для определения в самом грубом виде, сколько же нам нужно СБ и АКБ я буду пользоваться расчетом NREL Pwatts калькулятор. С помощью этого калькулятора можно получить почасовые значения выработки электроэнергии с учетом углов падения солнца, рассеянного света, температуры панелей и потерь на преобразования, что и было сделано как база для дальнейших вычислений.

image
«Стандратный метеорологический год» — очень мощная база данных, с замерами таких тонкостей, как солнечную прямую (желтая кривая на графике) и непрямую (синяя) засветку, позволяющий точно оценивать выработку моделируемой СБ в облачные дни.

Можно изменять соотношение между объемом солнечных батарей и аккумуляторов (чем больше солнечных батарей, тем меньше нам надо запасать энергии, чтобы пережить темные деньки, не выключаясь) а также — угол установки солнечных батарей. Теперь полученные данные для однокиловаттной СЭС нужно хоть как-то оптимизировать.

Для нашей солнечной электростанции определяющими EROEI моментами будут облачные зимние дни, например 27-28 декабря в стандартном метеорологическом годе — за эти два дня КИУМ станции составит катастрофические 3,4% и полностью определяет ее переразмеренность, которая будет приводить к выработке лишней электроэнергии 95% остальных дней.

В принципе, здесь правильнее было бы взять и поменять ТЗ на более оптимальное — например, “300 мегаватт 90% времени года”, тогда станция могла бы быть в несколько раз меньше, однако этот вариант мы посчитаем в следующий раз, а пока — хардкор.

Итак, угол установки солнечных панелей нужно оптимизировать не на максимальную энергопроизводительность в течении года, а на максимальную производительность в течении пары самых плохих периодов — получается 41 градус, а не самые оптимальные 32 (разница, впрочем, всего в 5% по годовой выработке).

С учетом того, что 1 электрический киловатт солнечной электростанции стоит ~14 ГДж (исследование 2016 года), а один электрический киловатт*час литий-ионных аккумуляторов — около 1,6 ГДж (исследование 2012 года). Соотношение объема аккумулятора и солнечных батарей высчитывается чуть сложнее — как оптимум по энергии.

Отсюда правило оптимизации — увеличиваем батарейку пока не достигаем ситуации, когда увеличение на 8,75 квтч уже не приводит к падению мощности солнечных панелей хотя бы на 1 киловатт.

В частности наиболее «энергодешевыми» оказываются гидроаккумулятор (PHS) и сжатый воздух (CAES) — по последнему, впроем все очень не просто, т.к. image
Интересный график из статьи по энергетической стоимости аккумуляторов. На правой панели показана «энергетическая стоимость» 4-12 часового всемирного хранилища.
там используется сжигание природного газа для восстановления энергии.

25 гигаватт СБ и 20 ГВт*ч АКБ. Перебор различных сочетаний размера СБ и АКБ в выдаче Pwatts дал мне такие оптимальные значения — 2. Коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) генерирующей части плох — около 0,08 и значимым его улучшением был бы прием сетью дневных пиков хотя бы на уровне 2 гигаватт, тогда общий КИУМ получился бы около 0,2, что гораздо ближе к реальным СЭС типа той, с картинки выше. При этом станция будет выдавать 300 мегаватт все 8760 часов года, а заряд АКБ только единожды упадет до 2% от полного, а в основном будет колебаться между 50 и 100%.

Да, у переменчивых ВИЭ есть проблемы последних процентов в энергосистеме — разница между 80% долей и 100% колоссальная с точки зрения инвестиций. Еще лучше было бы ограничить работу станции 330 самыми солнечными сутками года — тогда размер СБ части можно было бы уменьшить до 1,4 гигаватта, а АКБ — до 7 ГВтч.

На 2. Ну и считаем EROEI. 25*106 квт + 1. 25 ГВт солнца и 20 ГВтч лития нам потребуется 64,1 петаджоулей (14*109 Дж * 2. 8. 634*109 Дж * 20*106 квтч ) или 17,82 ТВт*ч, а EROEI оказывается равен 3. Да, результат неоднозначный — с одной стороны его легко повысить в несколько раз путем приема пиков солнечной генерации и уменьшением времени работы станции по году хотя бы до 90%, с другой стороны — это Аризона, одна из лучших точек на планете для солнечных электростанций. Людей, который в курсе дискурса вокруг солнца и EROEI это число удивляет — гораздо больше ожиданий.

Даже оптимизированные 1,4 ГВт + 7 ГВТч обойдутся не меньше, чем в 4 миллиардов долларов, что даст себестоимость электроэнергии с этого объекта в 140 долларов за МВт*ч — слишком дорого. Ну и главное, такой проект пока нереализуем с финансовой точки зрения. газотурбинных электростанций, быстро запускаемых в случае появления незапланированных пиков потребления: понятно, что стоимость электроэнергии от пикеров весьма велика и на этом можно заработать. Появляющиеся в реальности “Solar&Storage” пока стараются ограничится батареей гораздо меньшего размера, обеспечивающие в основном прохождение вечернего пика + замену пикеров, т.е.

Впрочем, таких мест на планете достаточно много, поэтому в ближайшие 10 лет, по видимому, такие электростанции будут массово строится. Подводя итог, хочется отметить, что проведенный расчет показывает, что как минимум физика не запрещает распространение солнечно-накопительных электростанций, как минимум пока в местах с хорошей инсоляцией.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть