Глобальные тренды развития мировой электроэнергетики в условиях перехода к возобновляемым источникам энергии

Введение

Актуальность темы исследования обусловлена высокой ролью электроэнергетики в мировом социально-экономическом развитии. Надежность и безопасность энергоснабжения является значимым фактором при принятии экономических, политических и социальных решений. Кроме того, тренды развития мировой электроэнергетики оказывают существенное влияние на многие промышленные отрасли, а также на конъюнктуру многих сырьевых рынков.

Актуальные проблемы развития возобновляемой энергетики представлены в работах Салыгина В.И. [11], Швеца Н.Н. [14], Гулиева И.А. [4], Андреева О.С. [2], Матвеева И.Е. [9], Витамана В. [19], перспективы развития систем торговли квотами на выбросы парниковых газов проанализированы в работах Корытцева М.А [8]. Направления цифровизации электроэнергетической отрасли рассмотрены в работах Салыгина В.И. и Маркина А.С. [12], Завьялова М.А. [7], Грабчака Е.П. [3], Белик М. и Рубаненко О. [16]. Анализ перспектив применения технологий промышленного накопления электроэнергии представлен в трудах Елпидифорова В.Ю. [6], Шутенковой О.С. [15], актуальные вопросы использования технологий малой распределенной энергетики изложены в работах Поломшиной М.А. [10].

Несмотря на то, что проблемы развития электроэнергетики, в особенности ее отдельных подотраслей, таких как, возобновляемые источники энергии, накопители энергии, распределенная энергетика находятся в фокусе исследований многих авторитетных российских и зарубежных ученых, проблемы комплексного развития всей мировой электроэнергетики представлены достаточно узко.

Целью статьи является комплексная оценка перспектив развития мировой электроэнергетики в контексте развития возобновляемых источников энергии. Научная новизна исследования заключается в обобщении и актуализации трендов развития мировой электроэнергетики. Гипотеза исследования: под влиянием четвертого энергетического перехода мировая электроэнергетика и ее смежные отрасли подвергаются трансформации.

В статье применены методы статистического анализа, дедукции. Проведен контент-анализ документов, связанных с реализацией энергетической политики в области перспективных направлений развития электроэнергетики развитых и развивающихся стран.

На сегодняшний день электроэнергетика играет важную роль в экономическом развитии любой страны, на нее приходится около 60% спроса на уголь, 40% на газ. Развитие различных технологий в электроэнергетике провоцирует рост спроса на металлы. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), возобновляемые источники энергии и такие сегменты, как линии электропередачи, накопители электроэнергии, электротранспорт, обеспечат до 40% общего мирового объема спроса на медь и редкоземельные металлы, до 60% — на никель и кобальт и почти 90% — на литий. [1]

На современном этапе рынок электроэнергии находится в фокусе нескольких глобальных долгосрочных трендов. Ключевыми из них являются рост спроса на электроэнергию, широкое внедрение цифровых технологий, декарбонизация и децентрализация.

Основным направлением развития мировой электроэнергетики является четвертый энергетический переход, то есть переход от массового использования углеводородов к широкому внедрению возобновляемых источников энергии. При этом, характерной особенностью текущего энергетического перехода является преобладающая роль энергетической политики государств, направленной на сокращение выбросов парниковых газов [9].

В 2022 году, по данным МЭА, мировое производство электроэнергии составило 28 334 ТВт/ч. Большинство производимой в мире электроэнергии все еще генерируется из ископаемых видов топлива, которые составили 61% общего производства (уголь - 36%, газ - 23%, другие виды ископаемых топлив – 2%). На долю остальных источников, таким образом, приходилось 39% общей генерации, из них первое место занимает гидроэнергетика - 15%, а второе – атомная энергетика (10%). Наиболее значительным изменением в мировом производстве электроэнергии в 2022 году стал рекордный рост доли солнечной и ветровой энергии (на их долю приходится 11% производства электроэнергии), увеличившись на 179 ТВт/ч и 280 ТВт/ч соответственно по сравнению с уровнем 2020 года. В 2022 году также наблюдалось рекордное сокращение доли атомной генерации – почти на 4% по сравнению с предыдущим годом, что связано, в основном, с проблемами с техническим обслуживанием атомных электростанций во Франции, а также закрытием заводов в Германии и Бельгии. С помощью биоэнергетики было произведено 3% мировой электроэнергии, а на другие возобновляемые источники пришлось 0,4% общего объема генерации. Доля ископаемого топлива в мировом производстве электроэнергии снизилась примерно с 65% в 2018 году до 61% в 2022 году [5], что отражает быстрый рост использования солнечной энергии и ветра в производстве электроэнергии за последнее десятилетие. Основные показатели производства электроэнергии в мире и прогнозные данные на 2030 и 2050 годы представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Фактические и прогнозные данные по мировому производству электроэнергии

Текущие рыночные условия, а именно рост цен на газ, нефть и уголь также являются движущей силой изменений. С одной стороны, резкий рост цен на газ в некоторых случаях привел к временному возвращению к производству электроэнергии на угле, но также он вызвал стремление некоторых стран усилить поддержку возобновляемой энергетики и ускорить достижение углеродной нейтральности [2].

Политический фактор является одним из ключевых векторов, определяющих перспективы развития электроэнергетического сектора, и его роль продолжает расти в свете текущих рыночных условий и мировых геополитических событий. В результате проведения климатической конференции ООН в Глазго в ноябре 2021 года еще несколько стран обязались достичь чистого нулевого уровня выбросов, например Индонезия в 2060 году, а Индия к 2070 году. По состоянию на конец 2022 года 83 страны и Европейский союз установили целевые показатели по достижению нулевых выбросов. Члены G7 также обязались обеспечить углеродную нейтральность электроэнергетики к 2035 году. Преобладающее большинство стран начали проводить политику в области расширения использования возобновляемых источников энергии к 2022 году. Основные направления текущей энергетической политики в сфере развития ВИЭ представлены в Таблице 2.

Таблица 2. Ключевые направления текущей энергетической политики крупнейших экономик мира

Политика декарбонизации фактически создала новые отрасли ветровой и солнечной энергетики. В настоящее время объем рынка возобновляемой энергетики оценивается в $1 триллион. Среднегодовой прогноз роста - 8,4% ежегодно [4].

Также одно из проявлений тренда декарбонизации – формирование глобального рынка квот на выбросы углекислого газа. Разработка нормативно-правовых и рыночных механизмов торговли квотами на выбросы происходило ещё с начала 2000-х гг., однако лишь в 2005 г. начала функционировать первая в мире биржа торговли квотами в Европейском Союзе. По настоящее время Европейская система торговли квотами на выбросы является крупнейшей, на ее долю приходится до 75% объема мировой торговли квотами на выбросы [8]. На сегодняшний день в мире функционирует 24 национальные системы торговли квотами на выбросы., из них три национальные (в Китае, Южной Корее и Новой Зеландии) и десять региональных систем действуют в Азиатско-тихоокеанском регионе

С учетом того, что технологии возобновляемой энергетики обладают нерегулируемым режимом работы, многие актуальные исследования направлены на разработку и совершенствование технологий промышленного накопления электроэнергии.

Технологии накопления электроэнергии очень разнообразны и используют различное множество физико-химических процессов. При этом, они различаются по принципу хранения энергии: электрические, механические и химические. К электрическим относят в основном конденсаторы, суперконденсаторы и сверхпроводниковые магнитные аккумуляторы, к механическим относятся гидроаккумулирующие электростанции и супермаховики, а к химическим относят аккумуляторные батареи и топливные элементы [13].

В течение долгого времени гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) остаются единственной освоенной технологией аккумулирования электроэнергии. ГАЭС преобразуют электроэнергию в потенциальную энергию запаса воды, которая используется в качестве обычной гидроэлектростанции в нужное время. При этом, ГАЭС являются системно-ориентированными накопителями, крупнейшие ГАЭС расположены в США (Бат Каунти мощностью 3033 МВт, Лудингтон мощностью 1872 МВт), Китае (Хойчжоу мощностью 2448 МВт, Гуандун мощностью 2400 МВт), России (Загорская мощностью 2040 МВт), Японии (Окутатараги мощностью 1932 МВт), Франции (Плотина Гранд Мезон мощностью 1800 МВт, Великобритания (Динорвиг мощностью 1728 МВт).

Однако для нового поколения технологий производства и небольших потребителей требуются распределенные системы накопления, позволяющие обеспечивать управляемую выдачу мощности преимущественно от ветровых и солнечных электростанций [6].

В целом, по оценке Bloomberg, суммарная емкость накопителей электроэнергии (за исключением ГАЭС) к 2024 г. составит 81 ГВт/ч, увеличившись в 16 раз по сравнению с уровнем 2022 г. (5 ГВт/ч), однако это все же по-прежнему будут очень незначительные объемы относительно общего производства электроэнергии на базе ветровых и солнечных электростанций.

Таблица 3. Крупнейшие мировые аккумуляторные станции

Отдельно стоит отметить перспективы развития водородных топливных элементов. Водород, используемый в топливных элементах, обладает значительным потенциалом для обеспечения чистой, эффективной и возобновляемой энергии. При этом ключевым фактором успеха является не только научно-техническое развитие технологий водорода, но и правильно сформулированная государственная политика, способствующая развитию водородной энергетики. С каждым годом водород все больше рассматривался как ключевой элемент в стремлении к углеродной нейтральности во многих странах. ЕС, Китай, Япония и другие крупные экономики объявили о своих планах по увеличению производства и использования водорода [11].

Другим важным трендом развития мировой электроэнергетики является цифровизация. Главное преимущество этого процесса - возможность максимально точного, детального контроля за энергосетями, осуществляемого в реальном масштабе времени. Этот подход дает возможность существенно оптимизировать энергопотребление, повысить эффективность и безопасность использования существующей энергетики, создавать сложные многоуровневые энергосети, системы когенерации энергии и внедрять ВИЭ [3].

Одним из ключевых направлений цифровой трансформации в электроэнергетике можно назвать создание «цифровых двойников». «Цифровой двойник» — это виртуальный прототип реальных производственных активов (скважины, турбины, энергетической установки, подстанции и т.д.). Такие технологии позволяют менять параметры работы оборудования в цифровой модели и вносить улучшения гораздо быстрее и безопаснее, чем при экспериментах на реальных объектах [16].

Другим важным направлением цифровизации в электроэнергетике является массовое внедрение технологий интеллектуального учета (Smart Metering). Смарт-счетчики позволяют энергоснабжающим компаниям управлять потреблением энергии на основе реального времени и получать данные о потреблении от каждого дома. Это помогает снизить нагрузку на энергосистемы в периоды пикового спроса и улучшить эффективность энергоснабжения [7]. По данным Еврокомиссии в 2022 году в регионе ЕС + Великобритания насчитывалось почти 163 миллиона интеллектуальных электросчетчиков, то есть на них перешли более 56% потребителей электроэнергии. Планируется, что к 2024 году в ЕС будет установлено около 225 миллионов интеллектуальных счетчиков электроэнергии и 51 миллион – газа, то есть почти 77% европейских потребителей будут использовать смарт-счетчики. Стоимость установки интеллектуального счетчика в ЕС составляет в среднем от 180 до 200 евро, при этом они обеспечивают экономию в размере 230 евро для газа и 270 евро для электричества на одну точку учета. [2]

Исследование зарубежных практик компаний Enel, Iberdrola, EDF и E.ON показывает, что внедрение цифровых технологий позволяет повысить энергетическую безопасность систем и может обеспечить повышение надежности электросетей на 70%, увеличение энергоэффективности на 15 % и снижение аварийности до 30% [12].

Согласно оценкам Bloomberg размер рынка цифровых технологий в энергетике оценивается в пределах $54 млрд и в ближайшие 5 лет будет увеличиваться.

Отказ от ископаемого топлива и переход на электрический транспорт, стремительный рост телекоммуникационной отрасли, рост уровня жизни - все эти факторы формируют быстро увеличивающийся спрос на электроэнергию. Этот фактор является основой для различных технологических решений развития энергетических систем. Развитие малой распределённой генерации лежит в основе концепции децентрализованного развития энергетики.

Использование технологий малой распределенной энергетики позволяет снизить стоимости электроэнергии для промышленных предприятий во многих странах, а возможность работы оборудования на разных видах топлива позволяет устанавливать такие объекты на территориях с обширной географией и различными климатическими условиями [10].

К основным факторам увеличения темпов роста рынка малой генерации можно отнести: значительный рост стоимости тарифов на генерацию и распределение, дорогостоящее и длительное технологическое присоединение, необходимость замены устаревшего оборудования и удаленное расположение потребителей.

Малая распределенная энергетика представляет собой различные технологии, которые вырабатывают электроэнергию вблизи места потребления. При этом, распределенная генерация может обслуживать как одного единственного потребителя (домашнее хозяйство или предприятие) так и может быть частью микросети (меньшая сеть, которая также подключена к более крупной системе подачи электроэнергии), например, на крупном промышленном объекте, военной базе или в кампусе крупного университета. При подключении к распределительным линиям низкого напряжения электросетевого предприятия распределенная генерация может помочь обеспечить поставку чистой и надежной электроэнергии дополнительным потребителям и снизить потери электроэнергии на линиях передачи и распределения [19].

Среди домашних хозяйств наиболее распространены солнечные фотоэлектрические панели, небольшие ветряные турбины, топливные элементы, работающие на природном газе, аварийные резервные генераторы, обычно работающие на бензине или дизельном топливе.

В коммерческом и промышленном секторах распределенная генерация может включать в себя такие технологии, как: комбинированные теплоэнергетические системы, солнечные фотоэлектрические панели, комплекс ветровых электростанций, малые гидроэлектростанции, станции на биомассе и твердых бытовых отходах, поршневые двигатели внутреннего сгорания, включая резервные генераторы, а также малые модульные атомные электростанции.

К преимуществам использования распределенной энергетики относят снижение потерь при передаче и распределении электроэнергии, повышение стабильности и безопасности электросети, снижение воздействия на окружающую среду и т.д. К определенным недостаткам использования таких технологий относят существенно высокую первоначальную инвестиционную стоимость и высокие затраты на техническое обслуживание [15].

Отдельно стоит отметить тенденцию развития малых модульных реакторов (ММР), которые стали перспективным решением проблемы растущего спроса на энергию во всем мире. Эти реакторы меньше по размерам и мощности, чем традиционные атомные электростанции, и имеют ряд преимуществ перед своими более крупными аналогами. Согласно критериям Международного агентства по атомной энергии (International Atomic Energy Agency, IAEA) к малым атомным реакторам относятся реакторы мощностью до 300 МВт. Согласно отчету Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) 2021 года насчитывается 25 разных концептов атомных реакторов малой мощности. Некоторые уже в процессе строительства и в эксплуатации, остальные находятся на этапе проектирования. Из отчёта видно, что малые атомные электростанции принципиально отличаются типами, характеристиками, видами теплоносителей и видами топлива установленных реакторов. Эти отличия не дают систематизировать все реакторы малой мощности в один список. Поэтому, классифицируя разные конструкции реакторов, необходимо учитывать такой фактор как серийность [17].

В последние годы концепция ММР привлекла значительное внимание, и многие страны изучают потенциал этой технологии для удовлетворения своих энергетических потребностей.

Для стран ЕС, которые решили включить атомную энергетику в свой энергетический баланс, ММР также могут стать многообещающим вариантом замены старых угольных электростанций, а также содействия растущему внедрению возобновляемых источников энергии. Их можно гибко использовать для централизованного теплоснабжения, опреснения воды, выработки технологического тепла для энергоемких отраслей промышленности и производства водорода.

Несмотря на их преимущества, экономическая целесообразность ММР остаётся спорным вопросом. Стоимость электроэнергии, выработанной на модульных электростанциях, выше, чем на традиционных атомных электростанциях. Однако сторонники ММР утверждают, что развитие технологии и стандартизация модульных элементов со временем снизит цену. ММР имеют потенциал стать устойчивым и доступным источником энергии в будущем [1].

По различным экономическим прогнозам к 2030 году в мире прогнозируется трехкратный разрыв новых вводов распределённой генерирующей мощности над централизованной.

Заключение

Таким образом, в настоящее время в электроэнергетике накопился целый ряд новых направлений, обуславливающих дальнейшую комплексную трансформацию отрасли. В первую очередь, мировая электроэнергетика вступает в этап четвертого энергетического перехода. К 2022 году практически все государства мира в рамках своих стратегических документов в области энергетической политики обозначили переход от широкого использования угля, нефти и газа к использованию возобновляемых источников энергии, преимущественно ветровых и солнечных электростанций, а также обозначили цели по достижению углеродной нейтральности. Такой переход ставит ряд задач по обеспечению надежного, бесперебойного и доступного по цене энергоснабжения потребителей, и именно поэтому в настоящее время в мировой электроэнергетике внедряются и апробируются системы промышленного накопления электроэнергии, системы интеллектуальных сетей и приборов учета, а также технологии малой распределенной энергетики.

Все данные тренды направлены в первую очередь на эффективное использование ресурсов, повышение энергетической безопасности и обуславливают дальнейшее расширение и диверсификацию рынков электроэнергии.

[1] Роль критически важного минерального сырья в энергетическом переходе. Международное энергетическое агентство. URL: https://www.iea.org/topics/critical-minerals (дата обращения 17.07.2023)

[2] Отчет об установке «умных счетчиков». Европейская Комиссия. URL:

https://energy.ec.europa.eu/topics/markets-and-consumers/smart-grids-and-meters_en (дата обращения 10.07.2023)