Летний сезон 2022 года не отличается стабильностью для мировой энергетики. Согласно заявлению Международного энергетического агентства (МЭА), запасов ископаемого топлива не хватает, спрос на ресурсы и стоимость энергии резко выросли. При этом худшее, возможно, еще впереди.
Предупреждение МЭА касается не только «грязных» источников энергии — с трудностями сталкиваются и поставщики возобновляемой энергии. Стоимость солнечной энергии за последний год выросла в два раза. Стоимость строительства новых наземных ветряных электростанций — на 7%; а стоимость аккумуляторных батарей — более чем на 8%. В результате цена электроэнергии от нового ветряного или солнечного проекта, построенного сегодня, вернулась к уровню 2019 года. Для рынка возобновляемой энергии подобный рост цен стал небывалым, ведь последние десять лет стоимость «чистой» энергии от ветряков и солнечных батарей неуклонно снижалась.
ВИЭ и Парижское соглашение
Согласно обновленному климатическому отчету от Всемирной метеорологической организации (ВМО), вероятность того, что среднегодовая глобальная температура временно превысит доиндустриальный уровень на 1,5 °C хотя бы в течение одного из следующих пяти лет составляет около 50%. Получается, что цели Парижского соглашения, которое предусматривает сдерживание роста температуры именно в пределах 1,5 °C от доиндустриального уровня, могут быть нарушены уже в течение первых 10 лет после его ратификации. Одна из причин этому — разница во вкладе в энергетический переход стран, подписавших соглашение.
Парижское соглашение обязывает каждого участника предоставлять отчет о том, как продвигается переход на ВИЭ и другие меры по сокращению выбросов в атмосферу. К 2050 году достичь углеродной нейтральности обещают США, ЕС, Британия, Япония и Южная Корея, к 2060 году – Китай и Россия. Но несмотря на заявления, почти все «амбициозные» участники соглашения на сегодняшний день отстают от графика сдерживания глобального потепления. В 2021 году наблюдательная организация Climate Action Tracker (CAT) проанализировала политику 63 стран и обнаружила, что все крупные экономики, на которые в совокупности приходится 80% мировых выбросов, не придерживаются собственных целей.
Аналитики утверждают, что если 110 стран (именно столько заявили о намерении достичь углеродной нейтральности), будут придерживаться заявленных целей, уровень глобального потепления превысит 2 градуса Цельсия к концу столетия. В случае же, если все страны-участницы ограничатся лишь уже реализованными планами по снижению выбросов, температура вырастет почти на 2,5 градуса.
Недостижимые цели
Обстоятельства, препятствующие выполнению Парижского соглашения, можно условно разделить на две группы: бюрократические (или политические) и технологические. К первым относят отсутствие ответственности за невыполнение условий документа — в тексте соглашения не предусмотрены санкции за недостижение сторонами декларированных ими целей, а в международно-правовом смысле какие-либо сокращения эмиссий не являются для них обязательными. Получается, что решение проблемы климатического кризиса полностью зависит от добрых намерений стран, подписавших соглашение.
Однако, даже если текст соглашения будет пересмотрен, а за отклонение от курса введут санкции, перед ООН и странами все равно останется множество технологических препятствий, которые ограничивают возможности человечества по сокращению выбросов и переходу на возобновляемые источники энергии. Среди них и невозможность хранить большие запасы энергии из чистых источников, и зависимость от драгоценных металлов, и, наконец, неспособность возобновляемой энергии (пока что) конкурировать с ископаемой в условиях свободного рынка. В последнее время к ним добавилась еще и нехватка микросхем, от которой пострадали почти все индустрии, связанные с технологиями.
Хранение энергии
Многие из чистых источников энергии зависят от условий окружающей среды — турбины не могут вращаться, если не дует ветер, а солнечные панели не могут собирать энергию, если не светит солнце. Поэтому одной из первоочередных задач становится эффективное и недорогое хранение накопленной энергии для компенсации погодных условий.
Классические литий-ионные аккумуляторы плохо подходят для этой роли по двум причинам. Во-первых, они теряют собранную энергию с течением времени (например, в случае с солнечными батареями накапливать электричество летом, чтобы использовать его зимой становится невыгодно). Во-вторых, встает вопрос нехватки лития и сложности его добычи: цена на карбонат лития — исходный ресурс для батарей, — за год выросла в 4,5 раза, достигнув в апреле почти 62 000 долларов за тонну.
Такой скачок цен обусловлен ростом рынка электромобилей, который оказывает давление на спрос производителей аккумуляторов, что, в свою очередь, оказывает давление на спрос поставщиков минералов. Лития на планете достаточно, однако его приходится добывать из рассольных бассейнов и подземных резервов, а текущих объемов добычи не хватает, чтобы удовлетворить растущие потребности индустрии.
Необычное решение этой проблемы — использовать для хранения энергии «обратимую ржавчину» (оксид железа) — предложил совместный проект двух компаний Form Energy и Breakthrough Energy Ventures. Его основной принцип работы заключается в цикле заряда и разряда аккумулятора: при разрядке аккумулятор поглощает кислород из воздуха и превращает железо в ржавчину, а во время зарядки под действием электрического тока ржавчина снова превращается в железо, а батарея «выдыхает» кислород. Подобные аккумуляторы изнашиваются медленнее, чем их литий-ионные аналоги.
Американский стартап Invinity предложил использовать для хранения энергии батареи, работающие с помощью ванадия — пластичного металла, устойчивого к воде, кислотам и щелочи, который обычно используют в авиационном и космическом производстве. Батарея от Invinity хранит энергию в жидкой форме в виде электролитов и преобразует ее в электричество, когда это становится нужно. Создатели утверждают, что их изобретение гораздо более экологично, чем литий-ионные батареи — аккумулятор из ванадия может выдержать десятки тысяч циклов зарядки без потери свойств, а сам металл является побочным продуктом нефтехимических процессов переработки. Это значит, что человечеству уже доступны тонны материала, оставшиеся от нефтепроизводства, которые можно использовать, не прибегая к добыче нового.
С недавнего времени на рынке также появились альтернативные способы хранения энергии, работающие по принципу гравитационного накопителя. Калифорнийский Стартап ARES разработал технологию, которая поможет решить проблему избытков и нехватки энергии на пиках потребления. При низком спросе на электроэнергию или при переизбытке энергии от возобновляемых источников исследователи из ARES предлагают использовать вагонетку, которая будет подниматься на склон горы и потреблять при этом излишки электричества. Затем, когда спрос на электроэнергию снова вырастет, вагонетку спустят обратно вниз по склону, вырабатывая при этом электроэнергию за счет торможения. Основатели компании утверждают, что у их технологии есть большое преимущество перед стандартными батареями — больший жизненный цикл, меньшая стоимость и изнашиваемость и возможность быстро ввести технологию в эксплуатацию.
Решений, которые призваны справиться с проблемой нехватки сырья и продлить жизнь аккумуляторов предостаточно, однако ни одно из них еще не было использовано в промышленных масштабах. Пока неясно, смогут ли эти изобретения заменить литий-ионные батареи. Если эффективность и жизнеспособность хотя бы одного из них будет доказана, на перестройку производства может потребоваться немало времени.
Адаптация энергосетей к возобновляемым источникам
Устаревшие энергосети не всегда могут быть адаптированы к возобновляемым источникам энергии — многие из них технически устарели и работают неэффективно. Однако, изменения не за горами — по мере того как общество развивает безуглеродную экономику, энергосистема тоже меняется.
Цены на электроэнергию зависят от двух основных видов расходов: затрат на топливо, необходимого для производства электроэнергии, и расходов на создание и поддержание инфраструктуры, которая производит электроэнергию и поставляет ее потребителям. В последнее время эти затраты увеличиваются из-за того, как мы потребляем энергию, все чаще используя большое количество электричества в течение относительно коротких промежутков времени (пиков).
В ответ на кратковременный рост спроса производители энергии разворачивают строительство новой инфраструктуры, которая потом простаивает большую часть времени. На 1% пикового потребления энергии в среднем приходится до 9% затрат на ее производство. То есть задача в том, чтобы распределить потребление более равномерно — так компании-поставщики электричества смогут уменьшить количество используемых ресурсов.
Решение этой проблемы уже существует — технология DER (distributed energy resource, распределенный ресурс энергии), которая работает по принципу агрегатора – рядом с местом потребления устанавливают дополнительные источники энергии (например, солнечные батареи), которые подключаются в моменты пикового спроса. Эта технология появилась совсем недавно, поэтому предстоит еще многое сделать, чтобы полностью реализовать потенциал DER по децентрализации сетей. В планах – разработка особого реестра, который сможет распределять энергию автоматически.
Нехватка микросхем и рост цен на сырье
Одной из главных проблем на мировом рынке источников возобновляемой энергии на сегодняшний день становится нехватка микросхем, без которых не обходится ни одна солнечная батарея или ветряная турбина.
Небольшое устройство, закупочная стоимость которого редко превышает несколько долларов США, способно поставить под удар целые индустрии. Их используют почти на каждом этапе производства возобновляемой энергии: с помощью микросхем или полупроводников наблюдают за исправностью ветряных турбин и солнечных панелей, их устанавливают в инверторы, датчики для модульных трекеров и преобразователи энергии. Сегодняшний дефицит микросхем обусловлен двумя причинами: пандемией и климатическим кризисом.
В начале 2020 года спрос на бытовые электроприборы и технику резко вырос, в то же время китайским компаниям пришлось сократить производство из-за строгих коронавирусных мер. Глобальное потепление тоже сыграло свою роль — экстремальные погодные условия на Тайване (именно там находится крупнейший в мире производитель микросхем TSMC) не позволили резервуарам компании наполниться достаточным количеством воды для производства.
Стоимость микросхем выросла не только из-за их дефицита — кремний, основной компонент чипа, подорожал в три раза осенью 2021 года. Ему уже давно ищут альтернативу не только из-за роста цен, но и из-за ограниченных возможностей минерала — технологический прогресс требует материала, который лучше и быстрее проводит электрический ток. Одной из возможных замен называют нитрид галлия: компания Xiaomi уже выпустила ноутбук, который работает на таком чипе — по заявлению производителя, он заряжается быстрее, чем аналоги и весит меньше именно благодаря новой технологии.
Стоимость алюминия, оцинкованной стали и меди также растет (с прошлого года более чем на 30%). Это сырье необходимо для производства ветряных турбин и солнечных батарей, поэтому рост цен на него повлечет за собой удорожание производства, и, как следствие, стоимости энергии из возобновляемых источников.
Что дальше?
Переход на возобновляемую энергию может затянуться — нарушение логистических цепочек, рост цен на сырье и дефицит микросхем влияют на индустрию чистой энергии также сильно, как и на остальные мировые отрасли. Международная напряженность не добавляет оптимизма — Парижское соглашение предусматривает, что успешный отказ от ископаемой энергии и снижение уровня выбросов возможны лишь при совместных общемировых усилиях.
В условиях вооруженных конфликтов, политических игр и экономического кризиса очень просто отодвинуть экологические проблемы на второй план и упустить то ценное время, в течение которого мы еще можем предотвратить необратимые последствия для планеты. Происходящее может откинуть индустрию возобновляемых источников энергии на несколько лет в прошлое.
Оптимизма добавляет лишь то, что на протяжении последнего десятилетия индустрия возобновляемых источников энергии переживает взрывной рост, который вряд ли удастся полностью остановить. Уровень инвестиций в развитие источников чистой энергии в последние два года сильно вырос (на 12% в год за период 2020-2022 по сравнению с 2% в год с 2015 по 2020 год) и продолжает расти по мере того, как в борьбу за господство на рынке ВИЭ все активнее включаются крупнейшие компании из ЕС, Китая и США.
Более того, нехватка сырья и рост цен могут мотивировать игроков рынка исследовать другие, возможно более экологичные, альтернативы материалам, многие из которых используются еще с начала прошлого века. Кризис часто провоцирует развитие, вопрос лишь в том, насколько это развитие поможет в предотвращении климатической катастрофы.
Земля в иллюминаторе: как космические технологии помогают устойчивому развитию
