12 ноября 2020 Живой журнал
Мир твердо решил бороться с глобальным потеплением. И это будет непросто. Целые сектора экономики необходимо, вполне буквально, сносить и строить заново. Одним из самых важных секторов в теме декарбонизации является электроэнергетика.
Среди технологий, которые станут основой новой, безуглеродной генерации электричества, центральное место с большой вероятностью займет фотовольтаика. Она хорошо отработана, показала свою способность к быстрому масштабированию производства и достаточно универсальна, чтобы быть востребованной почти повсеместно.
Но даже с этими достоинствами при переходе на солнечную энергетику придется решать много проблем. Часть из них, связанные с масштабированием производства фотовольтаики до объемов, способных спасти планету от перегрева, рассматривает в своей работе Пьер Ферлинден. Ферлинден — очень уважаемый в отрасли человек, проработавший в области фотовольтаики более 40 лет, занимаясь разработками солнечных панелей. Шесть лет он работал в должности вице-президента и руководителя исследовательских работ компании ”Trina Solar”, китайского гиганта фотовольтаики.
Самый первый вопрос — сколько же солнечной генерации нужно, чтобы спасти планету от перегрева?
Ферлинден исходит из уже опубликованных оценок: порядка 70 тераватт установленной мощности к 2050. Это много. Очень много. В 2017 общая мощность всех видов электрогенерации в мире составляла 6,6 ТВт — в 11 раз меньше, чем одних только требуемых СЭС!
Впечатляет? Безусловно. Это довольно агрессивная цель по сравнению с другими моделями. Но, как видно из таблицы ниже, другие модели предполагают небольшую долю солнечной энергетики в общем миксе, что трудно примирить с обязательствами по декарбонизации.
Тут, вероятно, многие вспомнят слова выдающегося отечественного государственного деятеля: «Комфортно ли будет людям жить на планете, уставленной частоколом ветряков и покрытой несколькими слоями солнечных батарей?» Согласимся с Владимиром Владимировичем: даже на покрытой одним слоем солнечных батарей планете жить будет некомфортно. Поэтому важнейший вопрос — сколько слоев надо для 70 тераватт солнечной энергетики?
Солнечные электростанции строятся, в зависимости от условий инсоляции, из расчета от 20 до 40 ватт мощности на 1 м2 занимаемой площади. Будем исходить из консервативной оценки в 30 Вт/м2. Консервативной она будет потому, что эффективность фотовольтаики постоянно растет. Сейчас с конвейера сходят панели с эффективностью 19%-20%. Десять лет назад эта цифра составляла 14%. Ферлинден полагает, что 25%-ная эффективность для массового производства будет достигнута после 2022.
Путь дальше — к модулям с 30%-ной эффективностью — лежит через освоение технологии следующего поколения, тандемных солнечных элементов. Ферлинден говорит о ней с осторожностью; впрочем, на горизонте до 2050 она наверняка будет освоена. Даже если мы не уйдем дальше 25%, «выжатых» из имеющейся технологии, это уже будет означать сокращение необходимых площадей под СЭС на четверть.
Итак, при консервативной оценке площадь СЭС к 2050 составит 2,3 млн. км2. Цифра гигантская, что еще раз подчеркивает масштаб стоящей задачи. Но в то же время наших СЭС не хватит, чтобы покрыть планету даже в один слой: общая площадь суши составляет 149 млн. км2.
Тем не менее, 2,3 млн. км2 — это больше площади Гренландии, Саудовской Аравии или Мексики. Территория планеты, занятая застройкой — все города, села и дороги — это только 1,5 млн. км2. По сути, нам предстоит освоить бОльшую территорию, чем освоили за тысячи лет все предыдущие поколения.
Это значит, что природе тоже придётся потесниться, что должно бы озаботить и «зеленых». Хотя некоторым «зеленым» будет не так жалко территорий, занимаемых сейчас пустынями. Таких в наличии с избытком: 21 млн. км2, если исключить неудобные для фотовольтаики приполярные пустыни.
"Откажись от солнечной энергетики - спаси Арктику!"
Вы думаете, что главное препятствие для 70 ТВт солнечной энергетики — эти всепланетные масштабы? Нет. Совсем нет. Оно в другом. Стоит привести замечательную цитату Ферлиндена:
«Самые важные барьеры для решения проблем с окружающей средой — эгоизм, жадность, торговые барьеры, возврат на инвестиции, учет проблемных активов (закрываемых старых электростанций на ископаемом топливе), неправильная шкала ценностей, популизм, апатия, отсутствие чувства неотложности и медленная реакция операторов энергосетей...»
Другими словами, главное препятствие — в головах. Но это вопрос уже для другого исследования, нас пока больше интересуют более «приземленные» моменты. Давайте к ним и обратимся.
Второе по важности препятствие — деньги. И здесь у индустрии фотовольтаики на руках имеется козырь: кривая обучения. Согласно концепции кривой обучения (она же кривая опыта), с каждым удвоением накопленного объема производства себестоимость изделия падает на определенный процент. А нам как раз понадобится увеличивать объём производства на порядки.
Коэффициент обучения, определяющий, насколько именно падает себестоимость при каждом удвоении, по итогам 50-летней истории производства фотовольтаики составил 22%. В 2010-ых он даже вырос до 25-40%, но опираться в расчетах на столь короткий отрезок было бы недальновидно.
Поскольку производство фотовольтаики быстро растет, удвоение накопленного объема до сих пор происходило каждые три года. Исходя из этого, Ферлинден ожидает, что стоимость солнечных панелей в 2030 опустится до 10 американских центов за ватт.
Хорошо, но такие крупные объемы солнечных панелей надо где-то производить. Как обстоят дела со средствами производства?
Со средствами производства дела обстоят просто прекрасно. Для их стоимости тоже действует закон кривой обучения. В 2010-ых производственная линия для фотовольтаики дешевела в среднем на 18% в год. Что дало немалый вклад в снижение себестоимости конечного продукта, о котором мы говорили выше.
Красным: капитальные расходы на линию по производству солнечных элементов мощностью 1 ГВт. Синим: производительность оборудования для одного из этапов, текстуризации.
Общая стоимость создания производственной цепочки от очистки кремния до сборки готовых модулей мощностью 1 ГВт/год сейчас составляет 182 млн. долларов.
Чтобы успеть сделать 70 ТВт солнечных панелей к 2050, необходимо нарастить темп их выпуска до 3 ТВт/год к 2032 году и далее оставаться на этом уровне. Еще раз напомню, что общая мощность уже установленной мировой генерации в 2017 составляла 6,6 ТВт — то есть нам надо в год добавлять почти половину этого значения.
Это означает, что выпуск солнечных панелей должен расти на 25% каждый год. Пока такой темп не был проблемой — именно так отрасль и росла на протяжении своего существования. Удвоение производства при таком росте достигается каждые 3 года. В 2019 было произведено 115 ГВт панелей — соответственно, выпуск нужно постепенно увеличить в 26 раз.
Располагая таким производственным планом, мы можем подсчитать стоимость изготовления нужного количества фотовольтаики. Годовой «бюджет» будет расти вместе с ростом объема выпуска, с 30 млрд. долларов до 220 млрд. в 2030-ых. После стабилизации выпуска на одном уровне «бюджет» начнет снижаться, отражая постепенное дальнейшее совершенствование технологии, до 130 млрд. долларов/год в начале 2050-ых. Всего 70 тераватт обойдутся нам в 4,3 триллиона долларов.
Расходы на строительство заводов по выпуску фотовольтаики, даже если предположить, что падение стоимости оборудования прекратится, составят лишь небольшую часть от этой суммы: 550 млрд. долларов.
Суммы пока не запредельные: объем мировых инвестиций в энергетику всех типов составляет около 1,6 триллиона долларов в год. Из них на электроэнергетику приходится порядка 800 млрд.
[img]https://iea.imgix.net/4c954668-3450-4431-a467-b444b95c48cb/Globalinvestmentinthepowersectorbytechnology%2C2005-2018.png?auto=compress%2Cformat&fit=min&q=80&rect=0%2C0%2C1100%2C619&w=1400&h=788&fit=crop&fm=jpg&q=70&auto=format[/img]
Однако нам нужно не только произвести PV-панели, но и смонтировать их в солнечную электростанцию. А это дополнительные расходы. И немалые расходы. Если сама солнечная панель в 2019 стоила 21-27 центов за ватт, то стоимость капитальных расходов на строительство СЭС в расчете на ватт составляла 1 доллар — в 4 раза выше!
Ферлиндену простительно пренебрежение «монтажным» аспектом — в конце концов, он собственноручно занимался масштабированием индустрии производства солнечных панелей, был на переднем её крае. Но нам стоит обязательно включить этот аспект в свои расчеты.
Даже предположив, что расходы на строительство СЭС будут следовать той же кривой обучения, что и PV-панели (что чуть консервативнее темпов 2010-2019 гг.), мы всё равно получаем значительные суммы. На пике, в 2030-ых, ежегодные затраты будут превышать 800 млрд. долларов. А общая сумма на создание солнечной энергетики к середине века составит почти 18 триллионов долларов.
Немало. Но и не космически дорого. Хотя и потребует увеличения трат на энергетику по сравнению со сценарием «бизнес как обычно».
Если ни свободное пространство, ни финансы не запрещают — может, запрещает физика? Ведь производство солнечных батарей — энергозатратный процесс. А нам требуется произвести в 11 раз больше генерации, чем мы имеем сейчас. Не столкнемся ли мы с ситуацией, когда большую часть вырабатываемой электронергии надо будет пускать на производство фотовольтаики — отбирая ее у населения и других отраслей экономики?
Сейчас энергозатраты на производство 1 ватта СЭС составляют около 3 кВт-ч. В 2019, соответственно, на выпуск новых СЭС было затрачено 342 млрд. киловатт-часов. Это 1,3% от мировой генерации электричества. Хотя не вся энергия, направленная на создание СЭС, была потреблена в форме электричества, в будущем, по мере декарбонизации, этот источник будет всё больше доминировать.
Поскольку в сценарии Ферлиндена мы радикально наращиваем выпуск солнечных панелей, пропорционально растут и энергозатраты, достигая в 2030-ых почти 9 трлн. кВт-ч в год. Это треть от сегодняшней генерации. Однако к этому моменту у нас будет установлено уже 16 тераватт СЭС, которые будут выдавать 28 трлн. кВт-ч в год. То есть энергосистема не просто обеспечит энергией потребности своего роста — но и даст солидный излишек.
Наконец, рассмотрим такой фактор, как доступность сырья для производства фотовольтаики. Почти все материалы, используемые в солнечных панелях, широко распространены на планете. Но есть один, вызывающий беспокойство. Это серебро.
Сейчас 1 ватт PV-панели требует 20 милиграмм серебра. Казалось бы, совсем чуть-чуть. Но в масштабах всей индустрии даже сейчас, при объемах, которых ни на какую декарбонизацию не хватит, спрос составляет 2400 тонн драгоценного металла (в 2019). При мировой добыче 27 тыс. тонн.
Добыча серебра довольно стабильна и в последние годы снижалась:
Как и вся горнорудная отрасль, добыча серебра медлительна и неповоротлива. Организация новых добывающих проектов занимает в лучшем случае 4-5 лет. Те темпы масштабирования, которые мы принимаем для фотовольтаики, здесь просто немыслимы.
А это значит, что при планируемом экспоненциальном росте солнечной энергетики мы быстро упрёмся в «серебряный потолок». По расчетам Ферлиндена, уже на уровне производства 1 ТВт фотовольтаики в год она будет потреблять все добываемые в мире объемы серебра. А ведь никуда не денется и спрос на этот металл со стороны других отраслей. И достичь 1 ТВт/год нужно уже в 2028.
Размер имеющихся на планете запасов серебра налагает еще более суровые ограничения. Известные резервы металла составляют 560 тыс. тонн. Этого не хватит даже на 30 тераватт фотовольтаики.
У вас - кривая обучения, а у нас - кривая Хабберта
Выход — в разработке технологий производства солнечных панелей, требующих существенно меньше серебра. Или обходящихся вовсе без него. Такие разработки ведутся. Но очень осторожный тон Ферлиндена — особенно на фоне его абсолютной уверенности в прогрессе других параметров — говорит о том, что смелые прогнозы о десятках тераватт здесь делать еще рано. Сначала удобная и дешевая замена серебра должна быть найдена и освоена в производстве.
Это не выглядит совсем уж нерешаемой задачей. Отрасль постепенно уменьшало расход серебра в расчете на модуль. Но прогресс этого улучшения в последнее время замедлился. А былой оптимизм сходит на нет.
Так, Международная дорожная карта фотовольтаики от 2010 г. планировала полный уход от использования серебра к 2015 году. Как пишут в работе по этой теме С. Ло Пиано и др., "эта цель систематически сдвигалась вперед во времени, и технологические наработки не выглядят многообещающими с точки зрения быстрой и полной замены серебра". А ведь на пути перехода к возобновляемой энергетике и без того хватает проблем.
Мы рассмотрели ограничения только с точки зрения производства. Но не менее, а то и более серьезные препятствия есть и в области развертывания фотовольтаики, интеграции ее в существующую энергосистему, обеспечения стабильности снабжения энергией и финансовой модели работы энергорынков.
Поэтому сценарий, предложенный Пьером Ферлинденом, наверняка окажется слишком оптимистичным по сравнению с тем, как дела будут разворачиваться в реальности. Даже если проблема с серебром будет решена. И даже — что сложнее — будут решены проблемы со стороны спроса, энергосетей. Слишком сильно то самое, главное препятствие. То, что засело в головах...
/ (C) Источник
Не является индивидуальной инвестиционной рекомендацией
При копировании ссылка обязательна Нашли ошибку: выделить и нажать Ctrl+Enter