Aenert news. Energy Trends
Фотовольтаика – одна из наиболее динамично развивающихся отраслей возобновляемой энергетики. В 2022 году общая установленная фотоэлектрическая мощность значительно превысила 1000 ГВт. Годом ранее доля солнечных фотоэлектрических систем в мировом производстве электроэнергии из всех источников достигла 3,8%. Десять лет назад в это было трудно поверить, поскольку тогда эта доля не превышала одного процента. За последние три года рост производства электроэнергии из фотоэлектрических источников уверенно превысил 20%. Теперь ранее казавшийся нереалистичным прогноз МЭА[1] о достижении среднегодовой выработки фотоэлектрических источников в 6000 ТВт-ч к 2050 году кажется вполне реалистичным. Сегодня никого не удивишь гигантскими фотоэлектрическими станциями мощностью более одного гигаватта. Более того, их число постоянно растет. Конечно, это еще далеко от мощности крупнейшей ГЭС Китая «Три ущелья» — 22,5 ГВт; однако это уже вполне сопоставимо с большинством существующих атомных или тепловых электростанций.
Некоторые важные индикаторы состояния фотоэлектрических систем показаны на карте ниже. Данные о производстве электроэнергии странами мира взяты из Управления энергетической информации США (EIA)[2]. К сожалению, подробной информации по солнечной генерации на 2022 год пока нет, поэтому мы использовали данные предыдущего года. Кроме того, мы использовали статистику Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA)[3], которое специализируется на сборе и анализе данных о возобновляемых источниках энергии.
Основные показатели солнечной фотоэлектрики
Не все результаты расчетов совпадают, поскольку иногда статистические данные из разных источников заметно различаются. Поэтому, например, при расчете конкретных показателей мы ограничились выбором стран с годовой выработкой из всех источников не менее 3 ТВтч и только по данным EIA [2]. Однако в целом это не меняет общей картины состояния отрасли. Давно известно, что безоговорочным лидером фотоэлектрической энергетики в абсолютном выражении является Китай. Этот факт подтверждается здесь на основе данных IRENA [3]. Китай имеет наибольшее количество установленных фотоэлектрических мощностей и производит наибольшее количество электроэнергии. Доля Китая на этом рынке значительно превышает 30%. Второе и третье места по-прежнему прочно удерживают США и Япония. Далее данные первой десятки стран по объемам производства электроэнергии и установленным мощностям существенно различаются. Это связано с территориальными условиями солнечной радиации, уровнем технической оснащенности солнечных станций (наличие трекеров, своевременное обслуживание, эффективность используемых фотоэлектрических панелей и т. д.), характером взаимодействия с местными электрическими сетями.
Что же касается конкретных характеристик, о которых упоминают гораздо реже, то здесь все выглядит совсем иначе. Прежде всего, это относится к процентной доле солнечной фотоэлектрической генерации в общем объеме генерации в стране. При среднемировом показателе в 3,8% в нескольких десятках стран мира наблюдается более высокая доля производства солнечной фотоэлектрической энергии. Среди них ряд крупнейших стран мира – Индия, Китай, США, Япония, Германия, Италия. Присутствие в первой десятке по этому показателю таких стран, как Йемен, Сальвадор, Иордания, Чили и Австралия, не должно вызывать удивления. Эти регионы имеют, пожалуй, лучшие показатели солнечной активности. Более того, для некоторых из этих стран фотоэлектрические системы являются наиболее реальной формой доступа к электроэнергии, особенно для отдельных домохозяйств.
Однако заслуживает уважения присутствие в первой десятке этого списка таких стран, как Венгрия и особенно Нидерланды, где природные условия по солнечной радиации гораздо скромнее. За лидерами первой десятки следуют такие крупные производители солнечной энергии, как Германия (доля фотовольтаики — 9%), Япония (9,3%), Италия (9,1%) и Испания (10%). Напомним еще раз, что эти расчеты проводились на основе данных ОВОС [2]. По другим данным, эти значения могут быть существенно выше. Лидеры по абсолютным показателям солнечной фотоэлектрической генерации демонстрируют гораздо более сдержанные характеристики при переходе к конкретным показателям. Для Китая, Индии, США, Южной Кореи доля фотовольтаики в общем объёме производства электроэнергии находится в пределах 3,9 – 4,2%. Если для Китая и Индии это легко объяснить большой численностью населения и давними традициями использования угольной генерации, то у США и Южной Кореи, очевидно, есть другие, более конкурентоспособные варианты производства электроэнергии.
Guadarranque solar power plant, San Roque, Cádiz, Spain 13.6 MW. Aenert photos
Фотоэлектрическая энергетика, как и другие области возобновляемой энергетики, предназначена для снижения зависимости потребителей от ископаемого топлива. В то время как сектор электрогенерации за последнее десятилетие добился значительного прогресса: доля возобновляемых источников (без учета гидроэнергетики) увеличилась с 5% в 2012 году до более чем 13% в 2021 году, ситуация с потреблением теплового и транспортного топлива гораздо скромнее. . В результате, если мы сравним изменение доли ископаемого топлива в мировом производстве первичной энергии за тот же период, оно, как правило, будет не столь значительным. В 2021 году доля ископаемого топлива составила 83,3% против 86% в 2012 году; доля возобновляемых источников составила 12% и 9,25% соответственно.
Таким образом, более чем десятикратный рост установленной мощности фотоэлектрических установок и пятикратный рост установленной мощности ветряных турбин за последнее десятилетие не привели к значительному сокращению потребления ископаемого топлива. Это связано с двумя основными факторами. Во-первых, это связано со значительным ростом мирового потребления первичной энергии. За период с 2012 по 2021 год этот рост составил 11% или 61,22 БТЕ, из которых более половины - 57,5% (35,2 БТЕ) было обеспечено за счет ископаемого топлива и 36,5% (22,5 БТЕ) - за счет всех возобновляемых источников. Рост мировой выработки электроэнергии за этот период оказался более значительным и превысил 25% или 5550 млрд кВтч (из них из ископаемого топлива - 38,5% или 2138 млрд кВтч, а из возобновляемых источников (без гидроэнергетики) 44,6% или 2476 млрд кВтч). кВтч, за счет фотовольтаики – 16,8% или 932 млрд кВтч).
Эти цифры, связанные с возобновляемыми источниками, конечно, впечатляют, поскольку рост производства энергии в мире во многом обеспечивается именно ими. Однако еще раз напомним, что доля ископаемого топлива в общем объеме производства первичной энергии по-прежнему высока и по состоянию на 2021 год превысила 83%. Иными словами, новое внедрение мощностей возобновляемой энергетики пока позволяет удовлетворить, в лучшем случае — лишь около половины новых потребностей в энергии. Таким образом, нынешний экстенсивный путь развития возобновляемых источников энергии не может обеспечить необходимую динамику изменения структуры энергопотребления. Очевидно, необходим дополнительный переход к интенсивным методам разработки.
Кроме того, здесь необходимо упомянуть вторую причину этого процесса – эффективность производства энергии. Современные коммерческие солнечные панели способны вырабатывать электроэнергию с КПД до 22-25%. Однако на самом деле это достижимо только в полуденные часы и в регионах с лучшими показателями солнечной радиации. Фактически уровень солнечной радиации варьируется от максимальных значений в полдень до нуля ночью. Повышенная облачность, стационарная ориентация солнечных батарей, загрязнение поверхности, перегрев, сбои или ограничения в работе приемной сети, остановки на техническое обслуживание и т.п. приводят к значительному снижению выработки электроэнергии. Так, среднемировой расчетный коэффициент мощности в 2021 году для фотовольтаики составил, по разным оценкам, 13,4-13,9%. Конечно, это нельзя сравнивать, например, с газовой электроэнергетикой, где этот коэффициент достигает 80-85%, и уж тем более с атомной энергетикой, где максимальный коэффициент мощности превышает 92%. Это, пожалуй, главная уязвимость фотоэлектрических систем. Для соседнего сектора солнечной энергетики, использующего оптические концентраторы (концентраторы солнечной энергии) и традиционные парогенераторы, эта проблема получила хорошее решение с использованием теплоаккумуляторов, позволяющих достичь значений коэффициента мощности до 80%. Для фотовольтаики на данный момент видны только два реальных варианта решения – создание комбинированных станций, например, фотоэлектрических и CSP, или с системами накопления энергии в виде аккумуляторов.
Qinghai Golmud Power Plant: 100MW CSP Tower + 1000MW PV, Google Map
Оба до сих пор используются нечасто. Однако не следует забывать, что такие меры позволяют лишь избежать циклической передачи электроэнергии во внешнюю сеть и регулирования нагрузки на сеть в часы пик выработки солнечной энергии. Они не обеспечивают повышения реальной эффективности работы солнечных батарей. Для этого требуется другой комплекс мер – использование более эффективных солнечных преобразователей, возможно, на основе перовскитов, использование систем слежения за солнечной энергией, оптимизация обслуживания солнечных панелей и другие технологические инновации.
Если рассматривать значения коэффициента мощности для разных регионов, то в первую очередь следует отметить ОАЭ, где этот коэффициент колебался по разным оценкам от 23,5 до 29,4%. Для стран из первой десятки лидеров США показывает отличные результаты – 20-21%. Коэффициент мощности в 2021 году был выше среднемирового в Греции – более 16%, Индии – более 15%, Бразилии – около 15%. Для стран Северной Европы коэффициент мощности по естественным причинам существенно ниже: в Германии он находится в пределах 10%, в Нидерландах 8,8-10,6 (IRENA vs EIA). Аналогичные значения имели Китай и Япония – 12,7 и 13,7% соответственно.
Как отмечалось выше, в мире построено несколько солнечных фотоэлектрических станций мощностью более одного гигаватта. Ниже приведен список этих станций по состоянию на ноябрь 2023 года.
Фотоэлектрические солнечные электростанции от 1000 ГВт, ГВт
Gonghe Photovoltaic Project (Qinghai, China), 3.182
Bhadla Solar Park (Rajasthan, India) 2.245
Pavagada Solar Park (Karnataka, India), 2.050
Al Dhafra Solar PV (UAE), 2.000
Mohammed Bin Rashid Al Maktoum Solar Park (UAE), 1.927
Benban Solar Park (Benban, Egypt), 1.650
Tengger Desert Solar Park (Zhongwei, Ningxia, China), 1.547
Kalyon Karapınar Solar Power Plant (Turkey), 1.350
NP Kunta (Andhra Pradesh, India), 1.200
Noor Abu Dhabi (Sweihan, UAE), 1.177
Jichuan Solar Park (China), 1.030
Danangouxiang Solar Park (China), 1.020
Kurnool Ultra Mega Solar Park
(Andhra Pradesh, India), 1.000
Datong Solar Power Top Runner Base (Datong City, China), 1.000
Такого результата удалось добиться лишь пяти странам мира. Большинство станций в этом списке расположены в Китае — пять, четыре в Индии, три в ОАЭ, по одной в Турции и Египте. Еще несколько станций находятся в стадии строительства. Большинство этих станций расположены в районах с высокой солнечной радиацией и продолжительностью солнечного сияния.
Фотовольтаика развивается быстрыми темпами. Накоплен бесценный опыт производства и эксплуатации фотоэлектрических источников энергии различной мощности. Тем не менее, пока еще очень и очень рано говорить о достижении главной цели возобновляемой энергетики в целом и фотоэлектрической энергии в частности, а именно масштабного сокращения потребления ископаемого топлива. Впереди еще много работы. Основными ближайшими задачами фотовольтаики являются повышение эффективности солнечных фотоэлектрических модулей и увеличение коэффициента мощности. Задачи эти, конечно, непростые, но вполне решаемые.
[1] Technology Roadmap Solar Photovoltaic Energy 2014 (PDF) / © OECD / IEA 2020, IEA Publishing, Licence: www.iea.org/t&c / International Energy Agency / www.iea.org/publications/freepublications/publication/TechnologyRoadmapSolarPhotovoltaicEnergy_2014edition.pdf
[2] U.S. Energy Information Administration/ International Energy Statistic/ Nov.2023/ https://www.eia.gov/international/data/world
[3] International Renewable Energy Agency/ Renewable energy statistics 2023/ https://www.irena.org/Publications/2023/Jul/Renewable-energy-statistics-2023
Редакционная коллегия
