Энергетический переход: производство и потребление электроэнергии и возобновляемых источников энергии

Введение

Энергетический сектор, являясь источником около трёх четвертей выбросов парниковых газов, требует структурных изменений в энергетической системе в целях снижения негативного влияния на состояние окружающей среды. Некоторые авторы отмечают опережающее развитие источников энергии, так, например, для первой промышленной революции таким источником стал уголь, для второй – нефть, для третьей – газ, а для четверной – нетрадиционные источники энергии [5]. При этом основу нового уклада будут составлять технологии твердотельной инженерной физики как основного способа преобразования энергии из одних видов в другие или изменения параметров энергетических потоков [8]. В этой связи можно предположить, что мировая энергетика переживает стадию глобального энергетического перехода. В этой связи целью исследования стало не только определение динамики производства различных источников энергии, но и расчет прогноза их потребления в период до 2050 года.

Методологическую основу исследования составили концепции энергетического перехода, смены состояния мирового инновационного-технологического развития в зависимости от источника энергии. В работе использованы сравнительный и статистические методы, метод экспоненциального сглаживания, позволившие сформулировать выводы и осуществить прогноз объемов потребления электроэнергии и возобновляемых источников энергии в периоде до 2050 года.

Обзор литературы

Динамика производства и общего конечного потребления энергии в мире по всем видам источников демонстрирует неуклонный рост его спроса со стороны потребителей. Все больше стран берут на себя обязательства по сокращению выбросов до чистого нуля в ближайшие десятилетия. В 2021 году МЭА выпустило первую в своем роде «Дорожную карту чистого нуля», в которой описало, что потребуется в энергетическом секторе для достижения этой цели на глобальном уровне к середине столетия. В 2023 году было опубликовано обновленное издание «Дорожной карты», которая стала важным ориентиром для политиков, промышленности, финансового сектора и гражданского общества. Она представляет собой путь для глобального энергетического сектора к достижению чистого нулевого уровня выбросов углекислого газа (CO2) к 2050 году при сохранении энергетической безопасности. Этот сценарий соответствует удержанию долгосрочного глобального потепления на уровне 1,5 °C с ограниченным перебором. Он также направлен на достижение ключевых целей устойчивого развития, разработанных Генеральной ассамблеей ООН, в отношении обеспечения всеобщего доступа к современным энергетическим ресурсам к 2030 году. Сценарий «нулевых выбросов» к 2050 году (NZE - Net Zero Emissions) является нормативным, он работает в обратном направлении от определенного результата и учитывает необходимость упорядоченных энергетических переходов, которые также являются справедливыми и равноправными.

На сегодняшний день нет согласованного мнения в отношении понятия «энергетический переход». По мнению В. Смила он представляет собой трансформацию структуры первичного энергопотребления и постепенный переход от существующей схемы энергообеспечение к новому состоянию энергетическая системы [14]. Международные организации также пытались определить этот термин. Например, Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) рассматривает данный термин, увязывая его с изменением мирового энергетического сектора посредством перехода с ископаемых ресурсов на нулевой углерод к середине текущего столетия [11]. Некоторые эксперты выступают за «энергетический прогресс», обеспечивающий переход к экономике с низким уровнем выбросов углерода [12]. Многие аналитики обращают внимание на глобальный энергопереход, связанный с существенной взаимозависимостью между численностью населения в мире и объемом потребления первичной энергии [8], обосновывая это расчетами и выводами, предложенными С.П. Капицей [3], в частности, «выполаживанием» численности населения мира на уровне, примерно, 11 млрд человек.

Происходящие геополитические, экономические и технологические изменения отражаются во всех сферах жизнедеятельности. Так, энергетика оказывает влияет на все сегменты производства общественного продукта и потребления и во многом определяет будущее мировые тренды. По мнению Ю. Плакиткина [5] данный процесс целесообразно рассматривать и оценивать во взаимосвязи мирового инновационно-технологического развития с потоком мировых патентных заявок. Полученные автором расчёты демонстрируют постоянную качественную смену состояния мирового инновационного-технологического развития, связанного с нарастанием мировой геополитическая напряженности. Автор отмечает [5] порог входа (2022–2023 гг.) в совершенно иное качественное состояние, называя его началом глобального технологического перехода, при этом пиковые точки будущего технологического развития будут приходиться на периоды 2031–2032 гг. и 2055–2056 гг. автором утверждается, что если инновационно-технологическое развитие вошло в процесс глобального цивилизационного перехода, то мировая энергетика также находится на стадии глобального энергетического перехода [5]. Таким образом, многие эксперты связывают прогнозы мирового потребления энергии с энергетическим переходом.

Между тем в среде экспертов происходит обсуждение рисков, связанных с энергопереходом, среди которых: появление новых игроков и усиливающиеся топливная конкуренция, трансформация моделей энергетических рынков, возрастающие потребности в государственной поддержке и финансировании инвестиций. Более того возобновляемые источники энергии и их технологические особенности могут вызвать энергетический коллапс на фоне, учащающихся природных катаклизмов [1]. Так, следует предусмотреть постепенный переход к низкоуглеродным и безуглеродным источникам энергии с учетом национальных особенностей, условий и целей каждой страны [2].

Результаты

На рисунке 1 представлена динамика производства и общего конечного потребления энергии по всем видам источников, которая демонстрирует неуклонный рост его спроса со стороны потребителей.

Рисунок 1 - Общее производство и потребление энергии в мире, 1971–2022 гг., (пДж)

Источник: составлено автором на основе [10]

С учетом объективного характера неизбежного энергетического перехода стоит обратить внимание на динамику производства и потребления возобновляемых источников энергии (рис. 2). Результаты анализа также показывают постепенный рост без резких колебаний, что свидетельствует о стабильном увеличении спроса.

Рисунок 2 – Производство и потребление возобновляемых источников энергии и отходов в мире, 1971–2022 гг., (ПДж)

Источник: составлено автором на основе [10]

Важно подчеркнуть усиливающийся темп роста на электроэнергию в мире, обусловленный внедрением технологий, работающих на электричестве, включая электромобили. К тому же, во многих частях мира существенным фактором роста спроса является использование систем кондиционирования. Кроме того, не стоит забывать, о спросе со стороны центров обработки данных на электроэнергию, связанного с внедрением искусственного интеллекта.

Рисунок 3 – Производство и потребление электроэнергии в мире, 1971–2022 гг., (ПДж)

Источник: составлено автором на основе [10]

Учитывая полученные результаты динамики потребления энергоресурсов за период с 1971 года по 2022 год, целесообразно построить прогноз их использования в будущем. Применяя метод экспоненциального сглаживания произведен прогноз объемов потребления электроэнергии и возобновляемых источников энергии в периоде до 2050 года (рис. 4, 5).

Рисунок 4 – Прогноз динамики потребления электроэнергии в мире до 2050 г., (пДж)

Источник: составлено автором

Результаты прогнозов также свидетельствуют о неуклонном росте потребления электроэнергии к 2050 г. При этом важно подчеркнуть, что генерация электроэнергии может осуществляться на различных видах топлива, включая нефть, уголь, газ, атомную энергию и другие возобновляемые источники энергии [4]. Вместе с тем рассчитанный долгосрочный прогноз последних за аналогичный период, свидетельствует о его снижение (рис.5).

Рисунок 5 – Прогноз динамики потребления возобновляемых источников энергии в мире до 2050 г., (пДж)

Источник: составлено автором

Однако данные опубликованного отчета IRENA [7], свидетельствуют об увеличении до 77 доли возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе к 2050 году. При этом предложение первичной энергии в целом останется стабильным за счёт повышения энергоэффективности и расширение использования возобновляемых источников энергии во всех секторах конечного потребления.

Анализируя долю различных источников энергии в общем объёме потребления топливно-энергетических ресурсов и динамику потребления возобновляемых источников энергии, стоит обратить внимание на то, что в прогнозах аналитиков выработка мировой электроэнергии примерно на 90% будет обеспечиваться за счёт возобновляемых источников (рис. 6). Большие надежды эксперты возлагают на водород и водородное топливо, которое должно будет удовлетворить запросы участников рынка в случаях, когда невозможно будет заменить ископаемое топливо.

Рисунок 6 – Прогноз потребления возобновляемых источников энергии [7]

Так, по прогнозам указанного отчета ожидается рост домохозяйств с солнечными панелями в 9,6 раз к 2050 г. по сравнению с 2020 г. Вместе с тем по оценкам экспертов прирост мощности за счет ветра снизится на 11,4% по сравнению с 2030 г. (рис. 6).

В связи с растущими климатическими проблемами и стремительным технологическим прогрессом энергетический сектор переживает трансформационный сдвиг в сторону децентрализации и устойчивости. Этот сдвиг в первую очередь обусловлен ростом распределенной генерации - модели, при которой электроэнергия производится не на централизованных объектах, а в местах потребления или рядом с ними. Распределенная генерация часто опирается на возобновляемые источники энергии, такие как солнце и ветер, и этот подход меняет рынки электроэнергии в важных направлениях. Стремление к созданию более инклюзивных рынков электроэнергии является сейчас своевременным и необходимым.

В этой связи стоит подчеркнуть важнейшую роль сетевых организаций в обеспечении стабильного и надежного электроснабжения, балансировке спроса и управлении потоками электроэнергии в сети. Они отвечают за управление потоками электроэнергии в сети в режиме реального времени, обеспечивая баланс между спросом и предложением электроэнергии, предотвращая перебои в обеспечении стабильного электроснабжения. Это включает в себя мониторинг работы сети, реагирование на нарушения и координацию производства, передачи и распределения электроэнергии.

Сетевые организации выполняют широкий круг задач, в том числе:

- прогнозирование спроса на электроэнергию: предвидение того, сколько электроэнергии потребуется в тот или иной момент времени;

- планирование выработки электроэнергии: решение о том, какие электростанции должны работать для удовлетворения спроса;

- управление линиями электропередач: обеспечивают безопасный и эффективный поток электроэнергии по высоковольтным линиям электропередачи, делая все возможное, чтобы избежать потерь в линиях;

- реагирование на отключения: быстрое реагирование и устранение любых перебоев в подаче электроэнергии. Эти задачи необходимы для бесперебойной работы электрической сети, которая является основой важнейшей энергетической инфраструктуры современного общества.

Механизм поддержки использования возобновляемых источников энергии на розничных рынках электроэнергии распространяет свое действие на основе постановления Правительства РФ с целью стимулирования использования возобновляемых источников энергии на розничных рынках электрической энергии [6]. Подобный механизм предусматривает конкурсный отбор проектов в различных регионах Российской Федерации, включающий частичную компенсацию затрат на технологическое присоединение генерирующего объекта к электрическим сетям из федерального бюджета. Вместе с тем стоит упомянуть о влиянии уровня инвестиций в развитие возобновляемой энергетики в целях обеспечения энергоресурсами потребителей. Планируется, что значительный рост капиталовложений в сценарий «нулевых выбросов» компенсируется более низкими эксплуатационными расходами.

Вывод

Учитывая динамику энергетического перехода на основе статистических данных и специализированных информационных ресурсов о мировой структуре потребления топливно-энергетических ресурсов отметим, что Российская Федерация является страной-экспортёром, в этой связи целесообразно рассмотреть различные сценарии развития рынка. Одним из них является снижение внешней цены на экспортируемую энергию. При таком сценарии рынок может оказаться в зависимости от диктуемых внешних условий, что в свою очередь обусловит причину снижения спроса. Однако, как уже было отмечено ранее рост капитальных вложений в чистую энергетику будет компенсирован более низкими эксплуатационными расходами, что в свою очередь станет предпосылкой появления конкурентного преимущества. Учитывая продолжающиеся научно-исследовательские разработки по поиску новых видов источников энергии важно сотрудничать с профессиональным сообществом для своевременного инвестирования и адаптации производства электроэнергии в зависимости от обозначающихся технологических трендов.