Технологии энергоперехода

Группа DNV опубликовала обзор 10 технологий, которые окажут наибольшее влияние на энергопереход в ближайшие пять лет. Данный доклад является дополнением к основному ежегодному докладу DNV Energy Transition Outlook (Взгляд на энергетический переход). Мы публикуем информацию о первых пяти технологиях.

Представляя доклад Реми Эриксен, президент и генеральный директор группы DNV, заявил: «Миру необходимо быстрее перейти к глубоко декарбонизированной энергетической системе, ежегодно сокращая выбросы примерно на 8%, чтобы обеспечить энергетическое будущее в соответствии с амбициями 1,5 градуса, установленными в Парижском соглашении. Эта неотложная и сложная задача требует полного системного мышления: понимания сроков и взаимозависимости технологий и политики. Это также требует мужества для принятия трудных решений».

Энергопереход пойдет быстрее, если учитывать все аспекты энергетической системы

Этот отчет о новых технологиях от DNV, является дополнением к нашему основному Прогнозу энергетического перехода, демонстрируя более полное понимание технологий, определяющих переход. В этом отчете мы сосредоточимся на технологиях, находящихся на переднем крае перехода к энергетике, и поделимся некоторыми соображениями, которые у нас есть относительно ожидаемых изменений в ближайшей перспективе.

Технологии, которые обладают потенциалом для глубокой декарбонизации мировой энергетической системы, хорошо известны. Это те, которые могут помочь в расширении масштабов использования возобновляемых источников энергии и расширении его охвата за счет электрификации новых секторов, которые могут удалять углерод из источников энергии на ископаемом топливе до или в момент сжигания.

Задача заключается в определении того, как и когда внедрять эти технологии, которые находятся на разных стадиях зрелости, и в управлении тем, как они взаимодействуют и зависят друг от друга. Понимание этого позволит промышленности, правительствам и тем, кто финансирует переход, эффективно расставить приоритеты в своих усилиях по достижению сокращения выбросов, необходимого в этом, следующем и каждый год вплоть до середины века.

За пять лет многое может измениться. Не так давно электромобили были новинкой для первых пользователей. Теперь революция в области электромобилей становится заметной, и к 2025 году только в Европе на дорогах будет 13 миллионов электромобилей.

В 2016 году изменчивость возобновляемых источников энергии широко рассматривалась как препятствие для перехода; теперь, с быстрым развитием технологий аккумуляторных батарей и другими возможностями реагирования на спрос с использованием цифровых технологий и сетевого хранилища, изменчивость все чаще рассматривается как разрешимое препятствие. Менее пяти лет назад водород не был на радаре в качестве ключевого энергоносителя; теперь многие пути к обезуглероживанию труднодоступных секторов ведут к водороду.

Как я уже заявлял ранее в предыдущих выпусках нашего ETO (Energy transfer outlook), не существует серебряной пули для достижения чистого нуля выбросов к середине века. Миру необходимо срочно действовать по нескольким направлениям – гораздо больше возобновляемых источников энергии, дальнейшее повышение энергоэффективности, а также улавливание и хранение углерода (CCS). Существующие конкурентоспособные технологии, такие как солнечная и ветровая энергия, должны в полной мере использовать преимущества благотворного круга, где снижение затрат как вызывает, так и вызвано ростом числа установок.

Для менее зрелых технологий, таких как зеленый водород, решающее значение имеет масштабирование от прототипа до повсеместного распространения во всем мире.

Важно отметить, что эти технологии взаимосвязаны. Например, невозможно предсказать будущее зеленого водорода без понимания достижений в области возобновляемых источников энергии, а понимание CCS не является полным без учета технических требований для трубопроводов, транспортирующих огромное количество CO2.

В этом десятилетии действия ООН по достижению Целей устойчивого развития и лидеры отрасли как никогда сосредоточены на решении климатических проблем. Для достижения этой цели им потребуется дальновидная политика, инновации и готовность к существенным инвестициям. Им также необходимо всестороннее системное мышление, чтобы связать эти аспекты, которое начинается с объективного, реалистичного понимания задействованных технологий. Это то, что мы стремимся обеспечить в этом докладе, в котором мы изучаем перспективы развития десяти ключевых технологий в переходный период, с акцентом на события в течение следующих пяти лет.

Введение

Этот отчет является частью набора публикаций DNV по перспективам энергетического перехода на 2021 год. В нем основное внимание уделяется тому, как ключевые технологии энергетического перехода будут развиваться, конкурировать и взаимодействовать в ближайшие пять лет.

Дебаты и неопределенность в отношении энергетического перехода, как правило, сосредоточены на том, что может и чего не может сделать технология.

Слишком часто такие дискуссии включают принятие желаемого за действительное, пропаганду предпочтительной технологии или ссылки на устаревшую информацию. В этом отчете мы приводим информацию, полученную в результате нашей повседневной работы с ведущими мировыми энергетическими игроками, включая производителей, перевозчиков и конечных пользователей. Каждая из следующих десяти глав написана нашими экспертами в этой области.

Поскольку темпы перехода усиливаются, описание любой данной технологии похоже на рисование быстро движущегося поезда. Мы попытались найти баланс между техническими деталями и вопросами безопасности, эффективности, стоимости и конкурентоспособности. Технологии переходного периода глубоко взаимосвязаны, а в некоторых случаях взаимозависимы; например, любое обсуждение зеленого водорода должно учитывать развитие возобновляемых источников энергии, систем хранения и транспортировки водорода, а также технологий конечного использования, таких как топливные элементы.

Наш выбор из десяти технологий не является исчерпывающим, но каждая из этих технологий представляет особый интерес для темпов и направлений энергетического перехода. Они варьируются от относительно зрелых технологий, таких как солнечная фотоэлектрическая энергия, до технологий, таких как ядерный синтез, которые находятся на некотором расстоянии от коммерциализации, но которые имеют текущие исследования и разработки и прототипы, которые стоит посмотреть. Вместе они охватывают большинство, но не все ключевые секторы. Мы описываем ожидаемые события на ближайшие пять лет, которые в значительной степени определят, как будет развиваться энергетический переход до середины века.

Как таковой, этот отчет о технологическом прогрессе является важным дополнение к нашему основному прогнозу энергетического перехода.

Наша цель состоит в том, чтобы объективно и реалистично оценить состояние этих технологий и оценить, как они способствуют предстоящему переходу к энергетике. Внимание к прогрессу в этих технологиях будет иметь решающее значение для всех, кто занимается энергетикой.

Основные тенденции

В дополнение к всеобъемлющей цели декарбонизации существуют и другие текущие тенденции, влияющие на развитие и изменения в энергетической системе. Всеобщий доступ к современной, чистой и безопасной энергии является ключевой глобальной целью. Цифровизация и усилия по борьбе с местным загрязнением воздуха также способствуют прогрессу в области энергетических технологий.

Благодаря этим усилиям энергетическая система переходит от системы, основанной на ископаемом топливе, к системе, основанной на широком спектре технологий, которые выделяют значительно меньше С02.

Большая часть достигнутого до сих пор прогресса была обеспечена прогрессом в области технологий, процессом, который экономист Джозеф Шумпетер иногда описывает как “созидательное разрушение». Новые инновации заменяют существующие, которые со временем устаревают. Точно так же, как лошадь и коляска были заменены моделью Ford T, автомобили внутреннего сгорания прошлого века заменяются автомобилями Ford Mach-E и другие EV. В наших публикациях «Перспективы энергетического перехода» мы описываем нашу лучшую оценку энергетического перехода к 2050 году. Каждое предстоящее десятилетие будет сопровождаться серьезной трансформацией различных частей энергетической системы. Возможно, 2020-е годы запомнятся как «технологическое десятилетие», которое породило несколько технологий – на разных стадиях готовности – которые оказали глубокое влияние на энергетический переход в период до 2050 года.

Критерии отбора

Существует два критерия отбора для того, как мы выбираем технологию для включения в этот отчет. Во-первых, приведет ли она к заметному сдвигу в энергетической системе. Мы измеряем это на основе того, насколько быстро внедряется технология и ожидается ли снижение затрат в течение следующих пяти лет. Многие из описанных здесь технологий уже привели к значительному снижению затрат и многократно увеличат производительность в ближайшие десятилетия. Таким образом, в энергетической системе будут наблюдаться заметные сдвиги. Вторым фактором является то, как технологии взаимодействуют друг с другом, иногда называемое секторальной связью или интеграцией цепочки создания добавленной стоимости в энергетике. Перекрытие и дополнительная природа нескольких технологий может объединиться, чтобы создать постепенные изменения и ускорить творческое разрушение существующих технологий и проложить путь для появления чего-то нового.

Технологии, соответствующие этим критериям, охватывают энергетическую систему: производство, транспортировку и хранение энергии, а также использование и преобразование энергии в полезные услуги.

Постепенные изменения, как правило, происходят, когда технологии объединяются. Оффшорный морской ветер сам по себе может обеспечить электросеть электроэнергией, но будучи соединен с сеть с новыми интегрированными аккумуляторными технологиями,

подключенными электромобилями и производством зеленого водорода, может на порядок повысить гибкость, полезность и конкурентоспособность всей системы.

В таких труднодоступных секторах, как судоходство, существуют ограниченные возможности для сокращения выбросов при одновременном удовлетворении глобального спроса на товары. Таким образом, новые двигательные технологии, использующие водородные топливные элементы и ядерные, обладают потенциалом. Развитие морских технологий редко происходит без дополнительного развития на суше. В случае инфраструктуры топливных элементов необходимо создать водород с низким уровнем выбросов, и вся цепочка создания стоимости таких технологий потребует интеграции. Для развития ядерных технологий новые и появляющиеся достижения в области малых модульных реакторов (SMR) должны быть успешно развернуты на суше, где их первой задачей будет конкурировать с наземными солнечными фотоэлектрическими установками и ветром. Все технологии, описанные здесь, взаимосвязаны и конкурируют друг с другом и зависят друг от друга. Таким образом, мы можем использовать нашу диаграмму динамики системы причинно-следственных связей, описывающую части нашей модели перспективы энергетического перехода, чтобы показать, как подключены энергетическая система и технологии (рисунок 1). Обратите внимание, что на диаграмме показано только взаимодействие высокого уровня между спросом на транспорт и энергосистемой. Другие основные источники спроса не детализированы.

Подпись

Расходы

Для любой данной технологии затраты, как правило, снижаются с постоянной скоростью с каждым удвоением накопленной мощности. Это называется стоимостью обучения (CLR). Каждое новое удвоение установленной мощности технологии требует больше времени, ежегодные темпы снижения затрат постепенно замедляются. CLR исходят из базовой технологии улучшения и основаны на исследованиях и инновациях (например, в отношении выбора материалов или перехода с двигателей внутреннего сгорания на электрические). CLR также обусловлены более эффективным производством, где со временем улучшается практический опыт и опыт расширенного развертывания.

Таблица 1. Технологии энергетического перехода, описанные в этом докладе.

Производство энергии оффшорными ветрякамиТранспортировка энергии, хранение, распределение. Трубопроводы для низкоуглеродистых газовИспользование и преобразование энергии. Новейшие судовые технологии
Развитие СЭСЯчеистые сети HVDCИнтеграция электромобилей и сетей
Переработка мусор в топливо и сырье для промышленностиНовые технологии аккумуляторовПроизводство зеленого водорода
Захват и захоронение углерода  

Единица измерения по сравнению с n-й единицей компонента падает со временем. CLR, как правило, самоусиливаются: снижение затрат как вызывает, так и вызвано увеличением числа установок.

CLR, связанный с основными технологиями, как правило, выше, чем у вспомогательных технологий. Таким образом, технологии, которые в основном включают «основную» технологию (например, батареи), как правило, имеют более высокие показатели обучения.

Например, фотоэлектрические панели – основная технология – имеют CLR 28%, в то время как материалы баланса поставок (BOS) имеют CLR только 9%. Примечательно, что затраты на технологии, как правило, снижаются постоянными темпами по сравнению с развертыванием, в то время как другие затраты, например, на рабочую силу, не снижаются. Таким образом, кривые затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание для ветровых и солнечных фотоэлектрических установок составляют в лучшем случае около половины от скорости обучения технологиям, а скорость обучения установке еще ниже.

В некоторых отраслях, например в добывающей промышленности, затраты со временем растут, поскольку доступ к легким месторождениям, как правило, осуществляется в первую очередь. Аналогичным образом, для некоторых технологий использования возобновляемых источников энергии наиболее благоприятные места для установки используются в первую очередь с уменьшением производительности с течением времени по мере наращивания мощностей (рис. 2). Этот фактор » стресса’ способствует совершенствованию и прогрессу технологий.

Скорость перехода

Требуется время, чтобы новая технология заменила существующую, особенно с учетом масштабов и размеров глобальной энергетической системы. Однако сложный рост нового участника в конечном итоге изменит систему любого размера.

Например, в 2015 году продажи легковых автомобилей EV были едва заметны: ежегодно продавалось менее 300 000 автомобилей, но к 2025 году мы прогнозируем, что количество продаж новых легковых автомобилей EV достигнет почти 20 миллионов в год, что составляет более 20% мирового рынка продаж новых автомобилей. Сегодняшнее изменение, все более ориентированное на миссию энергетического перехода, отличается от предыдущих преобразований энергетической системы.

Парижское соглашение и Цели устойчивого развития в сочетании с зелеными инициативами и пакетами стимулирующих мер COVID-19 активизируют действия правительства и политику в области климата, энергетики и технологий, нацеленные на структурные изменения в энергетической системе, которые учитывают риски планетарного, экономического и человеческого развития. Использование краткосрочных политических мер для достижения долгосрочных целей является беспрецедентным и отличает нынешний энергетический переход от предыдущих, которые в основном были обусловлены рыночными силами.

Мировая финансовая индустрия придает импульс декарбонизации. Выпуск зеленых облигаций находится на рекордном уровне, и компании, занимающиеся декарбонизацией, вознаграждаются высокими ценами на акции и быстро растут.

Целевая группа по раскрытию финансовой информации, связанной с климатом (TCFD) определила изменение климата как главный риск для мировой экономики и предлагает компаниям использовать сценарии для лучшей оценки своей бизнес-модели, связанной с изменениями климата, политики и технологий. Проблемы и возможности, с которыми сталкивается финансовое сообщество в поддержке доступного, ускоренного и справедливого перехода, будут более подробно рассмотрены в нашей предстоящей публикации «Финансирование энергетического перехода», которая будет опубликована в сентябре вместе с нашим основным прогнозом энергетического перехода на 2021 год.

Никакой серебряной пули

В этом отчете описывается большинство технологий, которые будут направлены на использование всех обязательств и обещаний по обеспечению соответствия требованиям Парижа в будущем. Никакая единая технология не может решить эту проблему, скорее им придется работать вместе. В центре внимания в будущем больше не будет конкуренция между ископаемыми и не ископаемыми решениями, а, скорее, как ускорить внедрение новых технологий декарбонизации. Все эти технологии, за исключением ядерного синтеза, также играют определенную роль в нашем предстоящем Прогнозе энергетического перехода на 2021 год, где с другими параметрами они взаимодействуют в нашей модели динамики системы вплоть до 2050 года, и мы описываем эффект, который это оказывает в течение 30-летнего периода. Однако следующие несколько лет будут иметь решающее значение для этих технологий. Если у нас есть хоть какой-то шанс достичь целей Парижского соглашения, эти технологии должны быть масштабированы, и переход к низкоуглеродному будущему должен быть ускорен уже сейчас.

1. Плавающий ветер

Плавающие ветряные турбины обеспечивают доступ к обильным ветровым ресурсам на большой глубине – по крайней мере, в четыре раза большей площади поверхности океана по сравнению с неподвижным ветром на дне. Это обеспечивает повышенную гибкость при выборе площадки, включая возможность использовать преимущества районов с более высокой скоростью ветра и районов с меньшим социальным и экологическим воздействием. В ближайшие пять лет мы ожидаем значительного развития технологий в области плавучего ветра, что позволит снизить стоимость, масштаб и повысить применимость.

Потенциал для роста

DNV прогнозирует, что плавучий ветер будет вырабатывать 250 ГВт к 2050 году, что составляет около 2% мирового производства электроэнергии, Это соответствует развитию, более чем в 3000 раз превышающему размеры Hywind Tampen, крупнейшей в мире плавучей морской ветроэлектростанции, строящейся в настоящее время в Норвегии, или 15 000 турбоагрегатов.

Плавучий ветер может принести чистую энергию прибрежным сообществам, ранее не обслуживавшимся ветроэнергетикой, например, некоторым мегаполисам в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Но есть и другие аспекты, которые вызывают интерес к плавающему ветру, такие как возможность для нефтегазовых и морских игроков перенести свои навыки, суда и верфи в новую, растущую отрасль, а также возможность использования плавучего ветра для питания нефтегазовых установок для снижения выбросов CO2.

Текущее состояние и стоимость

Две европейские плавучие ветряные электростанции, Hywind в Шотландии и WindFloat Atlantic в Португалии, в настоящее время запущены и обеспечивают доказательства того, что плавучий ветер технически осуществим. Компания Hywind Scotland, которая работает с 2017 года, достигла самого высокого среднего коэффициента мощности среди всех морских ветроэлектростанций в Великобритании, который указывает на то, что плавучий ветер может работать так же хорошо или даже лучше, чем донный неподвижный морской ветер.

Однако главная проблема с плавающим ветром – это стоимость. В то время как в настоящее время в ветроэнергетике с фиксированной нижней частью есть проекты с выровненной стоимостью энергии (LCOE) ниже 50 долларов США/МВтч, на первых плавучих ветроэлектростанциях LCOE превысил 200 долларов США/МВтч. Во многом это связано с небольшими размерами первых плавучих ветряных электростанций и незрелостью технологии и цепочки поставок.

Однако существуют некоторые характеристики, характерные для плавучего ветра, которые влияют на стоимость и требуют внимания. В то время как стальная масса фундамента, используемого для ветроэлектростанции с турбинами мощностью 8 МВт, обычно может составлять около 1000 тонн, для плавучей ветровой конструкции может потребоваться более 2000 тонн стали для турбины того же размера.

Необходим дополнительный материал для якорей и системы швартовки.

Помимо того, что потенциально требуется более чем в два раза больше стали, сами конструкции более сложны в проектировании и изготовлении, особенно по сравнению с монопилями (одноосными свайными фундаментами). Другими аспектами, способствующими повышению затрат, являются динамические кабели и дополнительное техническое обслуживание плавучего сооружения и системы швартовки.

Новый и улучшенный дизайн

Новые и усовершенствованные конструкции плавучего ветра будут способствовать снижению затрат. К 2025 году Hywind spar выиграет от трех предыдущих итераций с одним прототипом и двумя пилотными ветропарками, а полупогружной аппарат WindFloat достигнет четвертой итерации с одним прототипом и тремя пилотными ветропарками. Во Франции ожидается, что баржа Ideol – платформа для натяжных опор SBM и полупогружной аппарат Naval Energies-впервые будет опробована на ветроэлектростанции. В этот период мы также увидим некоторые дополнительные концепции, протестированные в качестве полноразмерных прототипов, таких как TetraSpar, который отличается от других концепций своей модульностью и простотой сборки, а также OO Star, которая сочетает в себе гибкую полупогружную концепцию с использованием бетона.

Поставщики технологий с уже развернутыми активами явно имеют преимущество в плане опыта, но мы также ожидаем, что многие разработчики технологий будут конкурировать с ними с помощью новых концепций. В настоящее время разрабатывается более 40 концепций плавучего ветра, а также новые концепции. Некоторые из них основаны на проектах, аналогичных ведущим концепциям, но бросают им вызов из-за таких факторов, как массовый подход к изготовлению, в то время как другие концепции имеют более радикальные изменения, такие как система швартовки башни, несколько турбин на каждом поплавке или объединение плавающего ветра с волновыми устройствами или производством водорода.

Общей для всех концепций является система швартовки, и ожидается значительное развитие в этой области. Это будет в результате оптимизации используемой в настоящее время технологии, а также благодаря внедрению новых технологий, материалов и методов для плавучего ветра, таких как синтетические канаты, системы снижения нагрузки, интегрированные системы контроля натяжения, системы быстрого подключения и общей швартовка.

Расширение сферы применения

Расширение применения плавучего ветра на новых рынках и в новых условиях также потребует развития технологий.

Более крупные плавучие ветроэлектростанции, расположенные дальше от берега в более глубоких водах, потребуют плавучих подстанций с разработкой динамических кабелей с более высоким напряжением и уровнем мощности, чем имеющиеся в настоящее время, и электрического оборудования, такого как трансформаторы и распределительные устройства, подходящие для типичных движение плавучего агрегата. Глобальное развертывание плавучего ветра также потребует увеличения огибающей глубины воды для использования плавучего ветра на участках длиной 1000 м, но также и на мелководных участках до 40 м. Учет особых погодных условий, таких как ураганы и тайфуны, будет актуален на некоторых рынках. Бетонные поплавки будут играть определенную роль, поскольку они позволяют производить оборудование более локально.

Пересчет

В ближайшие годы плавучий ветер будет масштабироваться как по размеру турбины, так и по размеру ветроэлектростанции. Поставщики технологий будут тестировать свои решения с турбинами потенциально большего размера более 20 МВт, что может привести к изменениям конструкции, помимо увеличения размеров конструкции, чтобы справиться с дополнительными нагрузками.

С более крупными ветряными электростанциями потребуются новые способы установки, изготовления и эксплуатации плавучих ветряных турбин. Что касается монтажа и изготовления, мы ожидаем развития в области серийного монтажа и изготовления. Для эксплуатации будут достигнуты успехи в техническом обслуживании на основе условий, использовании цифровых двойников, инспекции на основе рисков, роботизированной инспекции поплавков и системы швартовки, и в разработке методов капитальной замены компонентов турбин на шельфе. В 2025 году будет эксплуатироваться все большее число поплавков, что позволит отрасли больше узнать о повседневной работе, производительности ветряных турбин и таких событиях, как замена основных компонентов. Эти знания, несомненно, послужат стимулом для новых разработок.

Проблемы, которые необходимо преодолеть

DNV ожидает, что стоимость плавучего ветра снизится на 70% по мере приближения 2050 года (рисунок 1.1), в результате чего будет получена лишь небольшая премия в LCOE по сравнению со средним значением ветра с фиксированной нижней точкой.

Есть некоторые ранние признаки того, что мы на правильном пути. Инвестиционные затраты на МВт для Hywind Tampen на 40% ниже, чем у Hywind Scotland, установленного в 2017 году. Правительство Франции установило целевую цену для следующего раунда плавучих ветряных электростанций в Южной Бретани и Средиземноморье по 120 евро/МВтч и 110 евро/МВтч соответственно. Это половина тарифа в 240 евро/МВтч, который получают первые четыре пилотных ветроэлектростанции мощностью 24-30 МВт.

Однако существуют некоторые потенциальные проблемы, которые могут повлиять на снижение затрат. Хотя отрадно, что в настоящее время тестируется так много новых конструкций плавающих ветров, риск заключается в том, что широкий спектр дизайнерских концепций также может стать препятствием для необходимого снижения затрат в отрасли. Количество различных подходов и форм изготовления затрудняет для цепочки поставок обеспечение эффективных производственных мощностей, а для производителей турбин – создание оптимальной турбины.

Стандартизация концепций или элементов концепций могла бы способствовать более быстрому развитию. Отсутствие отраслевого сотрудничества, повышенные требования к местному содержанию и национальные нормативные акты представляют собой другие потенциальные проблемы для отрасли, которые могут помешать глобализация. Общий успех отрасли зависит от обмена оперативными данными и извлеченными уроками, разработки и согласования международных правил и стандартов, а также участия в совместных отраслевых проектах для решения технических задач.

Перспектива DNV

Плавучий ветер обладает большим потенциалом. Реализация этого потенциала требует от отрасли решения целого ряда задач по расширению сферы применения, масштабированию и снижению затрат без ущерба для безопасности. Благодаря совместному опыту и энтузиазму игроков нефтегазового, морского и морского ветроэнергетического сектора DNV считает, что технические проблемы и проблемы снижения затрат могут быть преодолены. Однако, как и в большинстве отраслей промышленности, реальные результаты приходят от внедрения, и именно здесь политики должны сыграть свою роль. Долгосрочные цели, четкие правила, которые не препятствуют международному сотрудничеству, и стимулы обеспечат предсказуемость цепочки поставок для привлечения финансирования, позволят обеспечить глобализацию и индустриализацию технологий и быстро снизить плавающие затраты на ветер до конкурентного уровня.

По нашим прогнозам, к 2050 году общая мощность морского плавучего ветра достигнет 250 ГВт – почти в 3000 раз больше, чем у Hywind Tampen компании Equinor, которая вступит в эксплуатацию в 2022 году. (Изображение: любезно предоставлено, Эквинор.)

2. Разработки в области солнечных фотоэлектрических элементов

Солнечная фотоэлектрика (PV) – это самая быстрорастущая в мире возобновляемая электроэнергия. Ожидается, что рост продолжит ускоряться в ближайшие десятилетия, при этом производство электроэнергии на фотоэлектрических станциях увеличится в 30 раз – с 0,8 ПВт/ч в 2019 году до 22 ПВт/ч в 2050 году.

С момента своего создания в Bell Labs в 1954 году кремниевые солнечные элементы и соответствующие им фотоэлектрические модули стали определяющей частью энергетического перехода, обеспечивая чистую, возобновляемую энергию для электросетей и домов по всему миру. В основе этой революции лежат текущие технологические инновации как в фотоэлектрических модулях, так и в системах, которые мы обсудим в этой главе. Решения для хранения, которые снижают изменчивость и повышают ценность активов солнечной энергетики, рассматриваются в главах 6 и 8.

Состояние рынка солнечных фотоэлектрических батарей

Современные фотоэлектрические системы используют либо кристаллический кремний, либо технологии тонких пленок. Кристаллические кремниевые элементы – в монокристаллической или поликристаллической форме – были рабочей лошадкой солнечной промышленности на протяжении десятилетий. Их первенство стало оспариваться с 2007 года с внедрением тонкопленочных модулей, изготовленных путем нанесения тонкой пленки фотоэлектрического материала (обычно аморфного кремния (a-Si) или теллурида кадмия (CdTe)) на подложка, такая как стекло, пластик или металл.

Фотоэлектрические модули из кристаллического кремния продолжают доминировать на современном рынке, хотя тонкопленочные фотоэлектрические модули показали значительное снижение затрат и увеличение мощности.

Резкое падение цен на обе фотоэлектрические технологии за последнее десятилетие привело к быстрому ускорению развертывания фотоэлектрических систем. Это, в свою очередь, стимулировало соответствующую динамику рынка, которая привела к снижению стоимости других аппаратных компонентов, включая инверторы, а также стеллажи и одноосные системы слежения. Кроме того, уроки из области интегральных схем и электроники постоянно улучшают качество фотоэлектрических материалов и их компонентов и снижают затраты. Ожидается, что новые фотоэлектрические технологии продолжат эти тенденции, сделав фотоэлектрическую энергию самым дешевым источником энергии почти на всех рынках к концу десятилетия.

Наша модель ETO 2020 прогнозирует, что установленная солнечная мощность удвоится к 2025 году и увеличится в четыре раза к концу десятилетия, что приведет к установленной глобальной мощности почти 3000 ГВт к 2030 году (рисунок 2.1). За это время на долю фотоэлектрических установок будет приходиться наибольшая доля новых мощностей, опережающая ветроэнергетику на суше (рисунок 2.2).

Улучшения в кристаллическом кремнии PV

Технологии фотоэлектрических модулей из кристаллического кремния, включая передовые технологии легирования кремния и ячеек, межэлементное соединение, ячейки и панели большего формата, а также бифазные модули, быстро развиваются.

За последние несколько лет большая часть цепочки поставок перешла на более эффективную технологию пассивированного заднего контакта эмиттера (PERC) за счет модернизации существующих линий и создания новых производственных мощностей.

Переход отрасли на PERC позволил быстро внедрить технологии бифазных ячеек и модулей, которые увеличивают выработку электроэнергии за счет сбора энергии с обеих сторон панели. Бифазные модули становятся популярными на многих рынках отчасти из-за умеренного увеличения выхода энергии. Многие производители используют архитектуру двойного стекла для бифазных модулей, что повышает надежность, позволяя им предоставлять лучшие гарантии. Тем не менее, некоторые производители предлагают прозрачные полимерные листы вместо стекла, чтобы извлечь выгоду из двойного увеличения без увеличения веса модуля.

Гетеропереходные и пассивированные контактные технологии, такие как туннельный оксидный пассивированный контакт (TOP-con), добавляют дополнительные тонкие слои на поверхности кремниевых пластин PV «n-типа». Это обеспечивает еще более высокую эффективность ячеек и увеличивает выходную мощность фотоэлектрических модулей, помогая продолжать повышать производительность фотоэлектрических устройств в течение следующего десятилетия.

Дальнейшие улучшения связаны с подключением сотовых сетей. Потеря светопропускания из-за сотовых шин, металлических полос, которые пропускают ток, генерируемый фотоэлектрической ячейкой, ограничивает эффективность фотоэлектрической панели. Новые мульти-шинопровод модули (MBB) из кристаллического кремния позволяют использовать множество тонких проводов и снижают потери сопротивления между ячейками и модулями.

Кроме того, многие производители разработали модули с половинными ячейками для дальнейшего снижения потерь на сопротивление и включения новых конфигураций модулей. Модули MBB и полуячейки также снижают затраты на металлизацию и потери от затенения и микротрещин, одновременно снижая стоимость и повышая производительность и надежность модулей.

Наконец, ожидается, что новые ячейки и модули большего формата позволят дополнительно снизить затраты на производство и установку системы, а также увеличить выходную мощность модулей. В ближайшие годы ожидается переход к более крупным форматам ячеек и модулей, поскольку производители продолжают оптимизировать дизайн и снижать производственные затраты.

Улучшения модуля тонкой пленки

Тонкопленочные фотоэлектрические технологии также перешли к модулям большего формата, чтобы улучшить совместимость с продуктами для стеллажей и одноосного отслеживания и, таким образом, снизить стоимость модулей. Усовершенствование технологий тонкопленочных солнечных элементов обусловлено изменениями в составе и контактах, которые увеличивают ток, напряжение и общую эффективность элементов, обеспечивая тем самым непрерывное повышение выходной мощности. Дальнейшие усовершенствования могут включать конфигурации тандемных ячеек, обсуждаемые ниже.

Схематическая структура стека тандемных солнечных элементов в 3D любезно предоставлена Eike Koehnen/HZB. В январе 2020 года группа в Центре Гельмгольца, Берлин (HZB) установил мировой рекорд по эффективности тандемных ячеек в 29,15%.

Технологии фотоэлектрических систем

Новые инверторы, трекеры и стеллажные решения для всей фотоэлектрической системы повышают производительность системы, тем самым еще больше снижая затраты. Инверторы продолжали наращивать мощность, причем мощность центральных инверторов достигает 5 МВт, а струнных инверторов – 250 кВт. Центральные инверторные архитектуры конкурируют с распределенными сетями струнных инверторов, упрощая обслуживание и включая несколько контроллеров максимальной мощности для максимальной производительности системы. Поскольку модули большого формата с различными выходами тока/напряжения обеспечивают более длинные строки, вход постоянного тока инверторов увеличится по сравнению со стандартным напряжением строки и будет адаптирован для максимального использования новых модульных технологий.

Производители разрабатывают передовые одноосные алгоритмы отслеживания и независимые конструкции строк для больших фотоэлектрических массивов. Они максимизируют выработку энергии за счет минимизации затенения соседей в каждом ряду даже при облачном освещении или неровной местности.

Также продвигаются решения для стеллажей с фиксированным наклоном. Производители снижают затраты на установку и материалы, максимизируют коэффициент покрытия грунта и оптимизируют производительность системы за счет многочисленных инноваций. Это может значительно снизить краткосрочные капитальные затраты, в то же время используя продолжающееся снижение стоимости модулей для быстрого увеличения мощности фотоэлектрических установок.

Будущие достижения

Чтобы повысить эффективность модулей более чем на 25%, технологические карты как для кристаллического кремния, так и для тонкопленочных модулей все чаще ориентируются на тандемные архитектуры солнечных элементов. Тандемные ячейки объединяют два разных полупроводника, которые более эффективно преобразуют различные части светового спектра в электрическую энергию. К ним относятся перовскитные солнечные элементы, разрабатываемые в исследовательских лабораториях для более эффективного преобразования видимой части спектра, и полупроводники из кремния, CdTe или CIGS в конфигурации тандемных ячеек, преобразующие инфракрасный свет в электрическую энергию. На сегодняшний день эти системы показали эффективность ячеек, приближающуюся к 30%, что недостижимо при использовании коммерческих технологий с одним соединением.

Солнечная генерация также находит новые применения. Например, проекты плавучих солнечных фотоэлектрических установок привлекательны во многих районах с ограниченным количеством доступной земли для снижения затрат на приобретение земли или для уникального соединения с гидроаккумуляторами с дополнительными преимуществами снижения испарения из гидроаккумуляторов. Встроенная в здание фотоэлектрическая энергия (BIPV) и совместное производство с сельскохозяйственными приложениями также изучается, и некоторые пилотные проекты уже осуществляются. Они будут продолжать интегрировать солнечную генерацию в застройку и сельскую среду, одновременно повышая общую стоимость и производительность использования земли (или воды) в целом.

Наконец, продолжается быстрое развитие аналитики данных для платформ мониторинга и управления активами. Эти аналитические данные могут снизить системные потери и оптимизировать доходы системы в сравнении с затратами на эксплуатацию и техническое обслуживание. Оперативная аналитика, прогнозное обслуживание и активный контроль управляемых солнечных активов обеспечит эффективную работу будущих проектов на протяжении всего срока их полезного использования.

Перспектива DNV

Мы ожидаем значительного роста солнечной мощности, обусловленного в первую очередь снижением затрат и конкурентоспособностью солнечных активов по сравнению с традиционными генераторами электроэнергии. Быстрое развитие технологий в отрасли будет по-прежнему способствовать повышению затрат и эффективности. Использование преимуществ новых технологий по мере их появления в сети может предоставить возможности для дальнейшего повышения стоимости и устойчивости солнечных активов в течение предстоящего десятилетия.

Для того чтобы фотоэлектрическая энергия отвечала потребностям энергетического перехода, отрасли необходимо будет выйти за рамки фотоэлектрических технологий и повышения затрат. Значение солнечной генерации в предстоящее десятилетие и в последующий период должно сохраняться по мере увеличения установленной мощности. Это может быть достигнуто за счет интеграции накопителей в электрическую сеть или с помощью гибридных солнечных и накопительных систем, а также за счет динамичных энергетических рынков, которые могут реагировать на сигналы с низкой стоимостью или низким содержанием углерода, чтобы лучше соответствовать нагрузке для местной или региональной генерации фотоэлектрических батарей. Фотоэлектрическая энергия будет играть ключевую роль в энергетическом переходе, но интеграция дополнительных технологий, рынков и правил может помочь ускорить наше солнечное будущее.

Прочная, высокопроизводительная фотоэлектрическая генерация является важным шагом на пути к энергетической системе будущего, и DNV стремится поделиться своим опытом в ускорении ее создания.

3. Отходы в топливо и сырье

Отходы все чаще рассматриваются как ресурс, находящийся не в том месте. Это особенно относится к растущей горе твердых бытовых отходов (ТБО) – более двух миллиардов тонн отходов появляется ежегодно во всем мире, что при быстрой урбанизации должно увеличиться более чем на 60% к 2050 году. Большая часть этих отходов является биогенными и наряду с другими горючими веществами, такими как пластик, уже давно используется в качестве источника энергии путем сжигания. В последние десятилетия внимание переключилось на включение ТБО в качестве источника топлива, главным образом метана и биодизельного топлива.

Разделение и оценка потоков ТБО на более ценные виды топлива, такие как водород и экологически чистое авиационное топливо (SAFs) вероятно, в ближайшие пять-десять лет будет горячей темой, поскольку технологические решения для обезуглероживания труднодоступных секторов становятся все более актуальными. В связи с усилением внимания в социальной и политической сферах к циркулярности и повторному использованию, переработка отделенных отходов из исходного сырья также набирает обороты.

Это особенно относится к пластиковым отходам, где привлекательна технология химической переработки постпотребительского пластика для эффективного получения как эквивалента использования первичной смолы, что вызывает интерес со стороны ведущих брендов и политиков.

Преобразование отходов в энергию

Во всем мире наблюдается рост рекуперации энергии из отходов в виде электроэнергии и/или тепла, что обусловлено как увеличением доступности отходов, так и технологическими усовершенствованиями. Кроме того, директивные органы все больше осознают вклад отходов в выбросы парниковых газов как напрямую (главным образом за счет выбросов метана со свалок), так и косвенно из-за неэффективного линейного использования и утилизации. ЮНЕП (UNEP) подсчитала, что глобальные выбросы парниковых газов могут быть сокращены на 10-15% за счет улучшения управления твердыми отходами (переработка, отвод отходов со свалки и рекуперация энергии из отходов).

Рынок отходов в энергию (WTE) оценивался в 30 млрд долларов США в 2019 году и, как ожидается, вырастет в среднем на 4,6% в течение следующих пяти лет с самыми быстрыми темпами роста в Азиатско-Тихоокеанском регионе (~15% в среднем), где имеется ограниченное пространство для новых свалок, чтобы справиться с быстро растущим количеством отходов.

Варианты рекуперации энергии из отходов, как правило, основаны на компромиссе между низкой стоимостью/низким потреблением энергии и высокой стоимостью/высоким потреблением энергии. Стратегии на нижняя часть шкалы может включать сжигание и улавливание газа на свалках, в то время как верхняя часть шкалы может включать производство экологически чистого авиационного топлива с помощью передовых термохимических процессов. Исключения из этого континуума вариантов действительно встречаются и, как правило, связаны с одним из трех факторов:

— вмешательство в политику: завод WTE может извлечь выгоду из отвлечения высоких сборов за размещение отходов на свалках, в результате чего отходы для завода поступают со значительными отрицательными затратами; на государственном или национальном уровне ценообразование на выбросы углерода или экологические цели могут привести к значительным субсидиям и стимулы для операторов WTE;

— технологическая компетентность: компетентность в проектировании и/или эксплуатации оборудования может иметь большое значение для технико-экономической эффективности проекта. Мы вполне можем быть свидетелями некоторых технологических прорывов, но они, как правило, остаются ограниченными по масштабу в качестве прототипов и/или тщательно охраняемых коммерческих секретов;

— местоположение: состав отходов и практика обращения с отходами заметно различаются между регионами с высоким уровнем дохода и регионами с низким уровнем дохода, где финансирование даже базовых систем обращения с твердыми отходами представляет собой значительную задачу. Завод WTE может значительно выиграть от усовершенствованной предварительной обработки, которая снижает изменчивость исходного сырья. Это имеет существенное значение для продвинутых проектов с высокими капитальными затратами.

Свалочный газ (LFG)

На управление отходами в настоящее время приходится около 12% глобальных антропогенных выбросов метана, при этом примерно две трети приходится на твердые отходы, а остальная часть – на очистку сточных вод. Существуют значительные региональные различия. В США, например, в 2019 году на свалки приходилось 15% выбросов метана в стране. Там и в Китае добыча LFG растет, в то время как в Европе добыча LFG неуклонно снижается в соответствии с политикой ЕС, направленной на ограничение доли муниципальных отходов на свалках до 10% к 2035 году.

Твердые отходы на свалках обычно анаэробно разлагаются на газы (LFG), содержащие 40-60% метана, а оставшаяся часть – CO2 и следовые количества водорода и сероводорода. Извлечение LFG включает в себя покрытие свалки и добычу с помощью ряда скважин и воздуходувки/факела (или вакуума). Покровные системы эволюционировали от простых почвенных покровов до почти непроницаемых многокомпонентных слоев. Собранный LFG может быть очищен и обработан для использования в производстве электроэнергии или дополнительно очищен для получения биометана.

По оценкам Всемирного банка во всем мире 33% отходов составляют открытые свалки, в то время как 37% утилизируется в той или иной форме. Пятая часть из них – это инженерные или «санитарные» свалки с системами сбора газа. Таким образом, существует значительный потенциал для «добычи» метана на свалках по всему миру. В США данные EPA показывают, что 20% из 2600 свалок в стране имеют энергетические проекты LFG на различных стадиях разработки, и существует вероятность того, что это число удвоится.

Что характерно, крупнейшая компания LFG в США Archaea Энергия была недавно (апрель 2021 года) приобретена RiceGroup, которая профинансировала приобретение, продав свои запасы в области гидроразрыва природного газа. Rice объяснила суть, отметив, что «добыча» LFG на крупных свалках – это долгосрочная инвестиция, включающая 20-летние контракты на возобновляемый природный газ, цена которого в настоящее время в пять раз больше природного газа. Доход оправдывает инвестиции в мембранную технологию для отделения CO2 и исследования возможности получения водорода с помощью SMR (stem mass fraction, паровой риформинг метана) с секвестрацией CO2 в глубоких скважинах около свалок.

Сжигание

По оценкам Всемирного банка, 11% отходов во всем мире сжигается, хотя это соотношение заметно варьируется в зависимости от региона.

Метод хорошо зарекомендовал себя в Европе (сжигается 42% отходов) и является растущим решением для управления отходами в Азии. В Китае уже есть 300 мусоросжигательных заводов WTE (waste-to-energy), а еще несколько сотен планируется построить. Учитывая растущие затраты на свалки во всем мире, будущее, по-видимому, будет справедливым для роста заводов WTE. Однако существуют значительные ограничения, связанные с высокой стоимостью борьбы с загрязнением в установках WTE, неоднородностью самих отходов и необходимостью тщательного сопоставления мощности с теплотворной способностью отходов, чтобы предотвратить финансовые недостатки, а также низкие цены на электроэнергию.

Даже при высоких субсидиях на плату за вход мусоросжигательные заводы будут бороться за конкуренцию с более дешевыми источниками энергии, особенно с возобновляемыми источниками энергии. Мусоросжигательные заводы также сталкиваются с растущей оппозицией общественности, и кампании «за экологическую справедливость» закрыли ряд мусоросжигательных заводов, расположенных вблизи общин с низким уровнем дохода в США. Контейнерные мусоросжигательные заводы для использования в развивающихся странах или отдаленных районах для предотвращения открытых свалок или сжигания, а также для производства электроэнергии на местном уровне – это хорошая идея, но она далека от коммерческой или технической готовности. Более жизнеспособная возможность роста заключается в использовании технологии CCS, которая дает чистый отрицательный результат из-за биологической доли обработанных отходов, но развитие зависит от высоких цен на углерод.

Биогаз

Биогенные материалы, как правило, составляют около 70% твердых бытовых отходов, и именно этот компонент считается основным источником возобновляемой энергии. Его можно использовать в качестве сырья для производства биогаза – как и различные органические отходы, включая навоз, сточные воды и промышленные отходы скотобоен, молочных и пивоваренных заводов.

Технология производства биогаза – анаэробное разложение органики – это известный процесс, и его не нужно здесь подробно описывать. Однако существуют постоянные технологические проблемы, связанные с созданием надежных, дешевых, маломасштабных реакторов для развертывания в развивающихся странах.

В последнее время в Индии был достигнут значительный успех с помощью сверхдешевых биодигесторов, заправляемых навозом и пищевыми отходами, изготовленными из прочного геомембранного материала.

В своем сценарии SDS МЭА прогнозирует огромный рост производства биогаза в домашних хозяйствах – ежегодное добавление более 5 миллионов биодигесторов в развивающихся странах в период до 2040 года. Чтобы это произошло, биогаз-проекты требуют значительно большей государственной поддержки, которая признает сопутствующие преимущества биогаза в качестве топлива, особенно когда он заменяет древесный уголь и дровяные печи, а также использование дигестата для внесения в почву удобрений.

Хотя есть некоторые опасения, что усилия по сокращению отходов и их переработке могут привести к сокращению проектов по преобразованию отходов биогаза в энергию, эмпирические исследования свидетельствуют об обратном. В рамках ЕС по управлению отходами вводится иерархия, начинающаяся с предотвращения образования отходов, а затем повторного использования и переработки, за которой следует рекуперация энергии из отходов (сжигание и биохимическая обработка) и, наконец, утилизация. Даже в этих рамках исследования показывают, что существует потенциал для увеличения рекуперации энергии из отходов только в ЕС еще на две трети.

Европа уже производит чуть более половины мирового биогаза, и доля биогаза, получаемого из отходов, вероятно, будет расти, учитывая озабоченность ЕС тем, что производство биоэнергии не должно конкурировать с производством продуктов питания.

Превращение отходов в топливо

В развитом мире более насущная проблема, чем доступность органических отходов заключается в том, что биогаз может быть ограничен или вытеснен с рынка электроэнергии из-за резкого падения цен на возобновляемые источники энергии и батареи.

Поэтому, вероятно, основное внимание будет сосредоточено на дальнейшей очистке биогаза, удалении CO2 (около 30-40% биогаза) и других следовых примесей, включая водяной пар, для получения биометана. Наиболее распространенный биогаз-технологии «очистки» включают очистку воды под давлением, каталитическую абсорбцию/промывку амином (флотационный агент), абсорбцию под давлением, криогенное сжижение и высокоэффективную очистку, селективное мембранное разделение. Биометан (иногда называемый возобновляемым природным газом) может быть добавлен в сети распределения природного газа и использоваться в труднодоступных секторах, не в последнюю очередь – в промышленности, авиации, грузоперевозках и судоходстве.

Недавние исследования в США показали, что вместо получения биогаза путем анаэробного сбраживания влажных отходов метаногенез может быть остановлен во время ферментации, чтобы вместо этого производить летучие жирные кислоты С2-С8 (VFA, volatile fatty acids) для каталитической модернизации до устойчивого авиационного топлива. Это может открыть значительный источник нового сырья для фиксатора SAF, коммерческое производство которого в настоящее время ограничено гидроочисткой сложных эфиров и жирных кислот из первичного растительного масла и отработанных жиров и смазок.

Контролер завода в компании Recycling Technologies, Суиндон, Великобритания, держит бутылку Plaxx ® — жидкого углеводородного сырья, полученного путем химической переработки отходов пластика. После доработки Plaxx можно использовать для изготовления высококачественной пластиковой смолы. (Изображение предоставлено Recycling Technologies.)

Газ также может быть получен термохимически из органических отходов путем газификации с получением синтез-газа (водорода и монооксида углерода), который затем может быть преобразован с помощью процесса Фишера-Тропша (FT) в длинноцепочечные молекулы углеводородов, которые составляют высококачественные виды топлива, такие как синтетическое дизельное топливо и био-реактивное топливо. Барьерами для термохимической обработки отходов были масштабы и стоимость, но в последние годы произошло несколько прорывов. Среди наиболее успешных – принадлежащая BP компания Fulcrum bioenergy в США, использующая так называемые реакторы «банки из-под печеных бобов» и запатентованный катализатор для повышения коммерческой жизнеспособности технологии FT.

Отходы в исходное сырье (пластмассы)

Все единодушно согласны с тем, что общемировой уровень переработки пластмасс, составляющий в лучшем случае 15%, является неприемлемым. Почти все это делается путем механической переработки, что, очевидно, не соответствует задаче борьбы с растущей в мире горой пластика. Без радикального вмешательства ежегодный объем пластиковых отходов во всем мире вырастет с 250 миллионов тонн в 2020 году до почти 350 миллионов тонн в 203021 году. Эта глава не охватывает сбор и сортировку пластика – механического или ручного – что является необходимым условием для переработка любого рода. Проблемы сбора, ассортимента и очистки в значительной степени связаны с политикой, в то время как наше внимание здесь сосредоточено на технологии переработки отходов. Однако очевидно, что чем эффективнее и прибыльнее процесс переработки, тем больше стимулов для сбора постпотребительских пластиковых отходов.

Механическая переработка

Хотя за последние 50 лет в области механической переработки были внесены улучшения, изменения в длине цепочки переработки и деградация материала во время переработки остаются постоянными проблемами для всех полимеров. Существует ряд решений для предотвращения разрыва полимерной цепи во время экструзии с помощью антиоксидантов и удлинителей молекулярных цепей, но отсутствуют стандарты и ноу-хау относительно влияния этих процессов на качество и безопасность вторичной переработки.

Аналогичным образом, наличие примесей в отработанном пластике также приводит к деградации материала, и хотя существуют решения, например дегазация и фильтрация расплава полимера, они не полностью решают проблему. Основная трудность с примесями заключается в необходимости предварительной сортировки полимеров по типу и цвету; однако после сортировки отдельные полимеры все еще могут быть загрязнены красками, клеями, смазочными материалами и другими пластмассами и бумагой, используемой в этикетках. Эти проблемы затрагивают даже наиболее пригодную для вторичной переработки смолу – полиэтилентерефталат (ПЭТ), – так что при переработке ПЭТ-бутылок соотношение первичной смолы к вторичной переработке часто составляет 70/30 по весу.

Механическая переработка очень редко является переработкой «бутылка за бутылкой», и большая часть того, что называется переработкой, на самом деле превращается во вторичные продукты, такие как текстиль, ковры и строительные материалы. После включения в эти продукты или в виде слоев в упаковке, переработанный пластик становится все более сложным для повторной переработки – из-за дальнейшего сокращения цепочки, а также трудностей с сортировкой и загрязнением. После нескольких каскадных циклов пластик становится пригодным только для сжигания или захоронения на свалке.

Несмотря на растущий спрос на переработку, с целевыми показателями, установленными ведущими брендами в отношении переработанного содержимого, и значительным налогом, недавно введенным ЕС и Великобританией на перерабатываемые пластиковые отходы, технико-экономические аспекты переработки остаются сложными.

Химическая переработка

Многие, если не все, проблемы, с которыми сталкивается механическая переработка разрешима с помощью химической переработки отходов пластик. Существует ряд методов химической переработки, но в широком смысле это включает деполимеризацию отработанного пластика путем пиролиза или с использованием растворителей, или катализаторов, а также реполимеризацию мономеров в смолы первичного качества («переработка исходного сырья») или другие полезные продукты нефтехимии, включая топливо для транспорта.

Кроме того, химическая переработка может быть применена к смеси пластиковых отходов, в том числе к большому проценту, не охваченному механической переработкой, без необходимости предварительной сортировки.

С учетом этих преимуществ химическая переработка должна быть взлететь как ракета. И это в какой-то степени верно: американское химическое общество перечисляет 66 проектов «продвинутой переработки», объявленных только в США с июля 2017 года. Поэтому само собой разумеется, что во всем мире действуют сотни проектов по переработке химических веществ. Означает ли это, что нарастает волна технологических изменений, которые разрушат и трансформируют отрасль, которая существенно не изменилась за последние 50 лет?

Химическая переработка имеет резких недоброжелателей, в том числе Гринпис. Основное возражение состоит в том, что химическая переработка используется для производства ископаемого топлива. Хотя это верно, DNV придерживается мнения, что производство топлива из отходов пластика предпочтительнее, чем вообще не перерабатывать пластики.

Углеродный след пиролиза также указан в качестве проблемы. Пиролиз, как правило, требует высокой температуры, которая обычно обеспечивается за счет сжигания примерно 10% по весу отходов пластика. Однако в настоящее время происходит постоянное повышение эффективности, включая повторное использование неконденсирующихся газов из процесса пиролиза для нагрева реактора. Кроме того, сажа – побочный продукт пиролиза – может быть продана цементным заводам и производителям огнеупорам. Для этой молодой отрасли трудно провести окончательный анализ полного жизненного цикла (LCA), но нет никаких сомнений в том, что могут быть и будут сделаны улучшения, включая возможность использования возобновляемых источников энергии.

Наконец, ставится под сомнение коммерческая жизнеспособность стартапов по переработке химических веществ. Как и на любом этапе запуска отрасли, следует ожидать большого числа сбоев. Однако DNV известно о нескольких примерах химических фирм по переработке отходов, которые пользуются значительным коммерческим успехом не в последнюю очередь потому, что они сотрудничают с мировыми брендами или поддерживаются ими. К ним относятся Agylix в США, голландская стартап-технология отверждения и переработки отходов в Великобритании. Технологии переработки, в частности, решают ключевую проблему бизнес – модели, которая заключается в том, что переработка пластика должна осуществляться там, где образуются отходы, следовательно, необходима разработка коммерчески жизнеспособной установки пиролиза в контейнерах тип RT700, предназначенной для переработки пластиковых отходов, обычно производимых в городе среднего размера.

Перспектива DNV

Мы ожидаем значительного прогресса в течение следующих пяти лет в технологиях переработки отходов в топливо, а в случае пластмасс – в переработке отходов в сырье с помощью химической переработки. Однако достижение значимых масштабов должно быть ускорено и требует сотрудничества в отрасли, разработки стандартов и «объединенной» поддержки политики со стороны правительств.

В развитых странах LFG и биогаз анаэробного сбраживания останутся долгосрочными первичными источниками энергии, но все большее внимание уделяется производству биометана и в качестве топлива для труднодоступных секторов. В развивающемся мире существует огромный потенциал для расширения использования мелкомасштабного биогаза, чтобы вытеснить традиционное приготовление пищи на биомассе.

Химическая переработка, вероятно, расширит и дополнит другие аспекты – сокращение и замещение – «войны с пластиком», так что спрос на первичную смолу из нефтяных и газовых источников снизится в течение следующих 30 лет. Наконец, необходимо всестороннее понимание полного жизненного цикла вариантов утилизации. Например, биологически разлагаемые альтернативы одноразовому пластику прогнозируются на идее о том, что материал на самом деле будет подвергнут биологическому разложению после использования; наш анализ показывает, что он, скорее всего, превратится в биогаз и, следовательно, будет сожжен в качестве топлива. Это неблагоприятно по сравнению с (потенциально) бесконечными циклами химически переработанной смолы, особенно если исходное пластиковое изделие было получено биологически.

В таких случаях химически переработанный пластик биологического происхождения может стать важным чистым отрицательным вкладом в обезуглероживание.

4. Трубопроводы для низкоуглеродистых газов

С ростом давления со стороны заинтересованных сторон и принятием правительствами законодательства о чистом нулевом уровне промышленность ускоряет свои решения по декарбонизации производства и потребления молекулярной энергии – углеводородов – в этом нуждается весь мир. Трубопроводы будут играть решающую роль в транспортировке этой энергии, но несут в себе риски безопасности и финансовые риски, если не будут приняты во внимание новые проектные, строительные и эксплуатационные соображения.

Зачем нам все еще нужны трубопроводы?

Несмотря на значительные успехи в декарбонизации электроэнергетических и транспортных систем с помощью возобновляемых источников энергии и электромобилей, энергетический сектор по-прежнему в значительной степени зависит от молекулярной энергии. В DNV ETO прогнозируется, что в 2050 году 50% энергетической системы по-прежнему будет основываться на углеводородах. Трубопроводы будут оставаться критически важными для транспортировки молекулярной энергии от места производства или хранения до места потребления.

Трубопроводы также используются в новых приложениях, таких как транспортировка низкоуглеродистых материалов, например, водорода, или содействие декарбонизации промышленности с помощью углерода: улавливания, использования и хранения (CCUS) путем транспортировки ПГ из мест выбросов в места постоянного хранения или конечного использования.

Понадобится ли нам больше трубопроводов?

Увеличение мощностей за счет перепрофилирования существующей инфраструктуры для таких газов, как водород и CO2 вместо строительства новых трубопроводов может снизить как риски проекта, так и коммерческую нагрузку. Однако эти проекты в основном находятся на пилотной стадии. Более масштабное развертывание водород и CCS, вероятно, потребуют увязки производства и CCUS через узлы и недавно построенные “магистральные” трубопроводы, которые соединяют объекты, которые ранее не имели бы никаких оснований для подключения, такие как металлургические заводы, химические заводы и электростанции. Кроме того, многие внутренние объекты необходимо будет подключить к прибрежным узлам для подачи водорода или экспорта CO2.

DNV ETO и Международное энергетическое агентство прогнозируют, что спрос на CCUS в 2050 году будет примерно в 100 раз больше, чем совокупная мощность примерно 6500 км трубопроводов CO2, которые существуют сегодня.

Чем отличаются эти новые газы?

Многие аспекты проектирования, строительства и эксплуатации связаны с разработкой будущих низкоуглеродистых газопроводов. В настоящее время проводятся исследования, чтобы определить, как новые и существующие материалы трубопроводов будут реагировать на различные составы, давления и температуры транспортируемых газов.

В таблице 4.1 освещены некоторые ключевые соображения и различные требования к новым и перепрофилированным трубопроводам, транспортирующим водород и CO2. Обратите внимание, что существует несколько функций, общих для всех опций. Рекомендуемые методы DNV предоставляют полное руководство по проектированию и эксплуатации трубопроводов.

Проблемы с трубопроводами CO2

Транспортировка по трубопроводу связывает технологические мероприятия по улавливанию CO2 на объекте-эмиттере (например, электростанция, производитель стали, нефтеперерабатывающий завод) и мероприятия, необходимые для его закачки глубоко под землю для постоянного геологическое хранилище. Важнейшие проблемы заключаются в следующем: примеси в улавливаемом CO2 влияют на критическое давление, критическую температуру и поведение газа и оказывают значительное влияние на проектные параметры трубопровода. Когда впервые рассматривались трубопроводы CO2 для применения в CCUS, они, в основном, предназначались для улавливания постоянных потоков CO2: улавливания после сжигания на угольных электростанциях или для создания давления в существующих нефтяных резервуарах для повышения нефтеотдачи. Эти потоки не были чистыми СО2, но потенциальные загрязнители в целом были одинаковыми. Текущий спрос на быстрый рост в CCUS для поддержки глубокой декарбонизации промышленности приведут к тому, что СО2 улавливается из гораздо более широкого диапазона источников выбросов с гораздо более широким диапазоном загрязняющих веществ, чем встречалось ранее. Трубопроводная сеть должна будет установить четкие стандарты минимальной чистоты СО2 чистота и максимальный уровень каждого потенциального загрязнителя. Для перепрофилированных трубопроводов необходимо провести проверку и поднять историю эксплуатации трубопровода, чтобы понять, какие загрязняющие вещества могут присутствовать либо в самих жидкостях, либо в результате взаимодействия предыдущих жидкостей с трубопроводом, что может привести к образованию продуктов коррозии/эрозии.

Улавливание CO2 из широкого спектра источников, многие из которых географически рассредоточены, создает проблемы с прокладкой трубопроводов и правом пути (Right of Way, ROW. Это необходимо будет изучить, а также проконсультироваться с регулирующими и региональными органами власти, чтобы выработать приемлемые правила для ряда.

Эти проблемы гораздо сложнее для наземных трубопроводов, чем для морских трубопроводов, из-за количества вероятных пересечений и взаимодействий.

Пропускная способность и размеры трубопровода также требуют тщательного рассмотрения. Заманчиво спроектировать трубопровод с максимальной пропускной способностью, которая может потребоваться, но с большими размерами. Такой трубопровод несет значительные риски, учитывая, что промышленность может перейти на использование топлива или технологий, которые могут значительно снизить спрос на пропускную способность трубопровода CO2. Например, если крупный металлургический завод перешел с доменных печей на электродуговые печи или предприятие по производству голубого водорода было заменено зеленым водородом, спрос на перевозки CO2 резко снизится. Трубопроводы с малыми диаметрами могут использоваться для транспортировки высоких расходов с достаточно высокими скоростями, но они могут страдать от высоких потерь давления и эрозии внутренней стенки трубопровода. Большие диаметры трубопроводов снижают потери давления и имеют более низкие скорости, но они могут быть очень дорогими и могут привести к потере активов.

Транспортировка относительно чистого CO2 в виде жидкости или газа предпочтительнее, чем управление трубопроводом, по которому течет двухфазная, менее чистая смесь. Предпочтительно транспортировать CO2 либо в газовой фазе при давлении около 35 бар, либо в виде плотной жидкой фазы выше 100 бар. Это должно быть тщательно смоделировано, чтобы избежать фазовых изменений СО2 вдоль трубопровода за счет поддержания СО2 при оптимальном давлении/температуре. Меньшее количество возможностей оптимизации конструкции делает эту проблему более сложной для решения в перепрофилированных трубопроводах, чем в новых трубопроводах.

Загрязняющие вещества и необходимость избегать изменения фазы в трубопроводах, транспортирующих CO2 от промышленных источников, делают измерение и мониторинг в трубопроводах CO2 еще более важными, чем в традиционных трубопроводах углеводородов. Примеси оказывают значительное влияние на свойства СО2 и могут представлять проблемы не только за счет изменения фазы, но и за счет разрушения материалов стенок и образования трещин.

Рисунок 4.1. Облако пара из при поломке трубопровода при тестовых испытания DNV на прокачку CO2, Спейддам, Великобритания

Потоки CO2 вряд ли будут устойчивыми, поэтому физическое измерение и мониторинг трубопроводов будут иметь важное значение как для однофазных, так и для многофазных потоков. Необходимы дальнейшие разработки в области моделирования и измерений как для прогнозирования воздействий, так и для надлежащего мониторинга условий эксплуатации.

Утечка из большого трубопровода CO2 потенциально опасна для жизни людей, оказавшихся в рассеивающемся облаке. На рисунке 4.1 показаны результаты теста, проведенного DNV на своем исследовательском объекте Spadeadam для исследования рассеивания CO2 после сбоя в трубопроводе.

Риски крупных аварий со стороны трубопроводов СО2 могут быть низкими, если соблюдаются строгие процессы управления рисками и будут должным образом изучены свойства и поведение CO2.

Проблемы с водородным трубопроводом

В отличие от CO2, который можно рассматривать как поток отходов, водород является ценным энергоносителем и сырьем, которое может быть использовано в различных областях. Таким образом, требования к чистоте конечного применения оказывают значительное влияние на проектные параметры трубопровода.

В то время как большинство промышленных и бытовых применений могут поддерживать уровень чистоты 98%, такие приложения, как топливные элементы и производство полупроводников, обычно требуют чистота 99,9999%. Поэтому для проектирования трубопроводов может потребоваться конструкция из нержавеющей стали, внутренние покрытия, защита от коррозии и встроенные фильтры.

Если записи о перепрофилированных трубопроводах недоступны, могут потребоваться дополнительные проверки.

Атом водорода мал и более подвержен утечке по сравнению с другими углеводородами. Поэтому фланцевые соединения не должны использоваться в новых трубопроводах, все фланцевые соединения в существующих трубопроводах должны быть заменены сварными соединениями. Водород также особенно подвержен самовозгоранию при утечках и атмосферных сбросах. Это связано с низкой энергией воспламенения водорода и тем фактом, что, в отличие от большинства газов, температура водорода повышается при расширении. Эта тенденция к самовозгоранию в сочетании с труднодоступным пламенем делает небольшие утечки водорода серьезным потенциальным риском, требующим тщательного управления.

В чистом виде водород обладает уникальными коррозионными свойствами. В сочетании даже с небольшими уровнями примесей (на уровне ppm) эти проблемы с коррозией могут значительно возрасти. Многие металлические материалы, включая стали (особенно высокопрочные стали), нержавеющую сталь и никелевые сплавы, подвержены охрупчиванию в среде газообразного водорода. Чистота, температура и давление могут повлиять на степень охрупчивания. Охрупчивания можно избежать в большинстве трубопроводов для передачи водорода, работая при давлении ниже 85 бар и используя высокопрочные стали.

Перспектива DNV

Роль трубопроводов в обезуглероженном будущем часто не совсем понятна. По мере того как мы переходим к энергетическому переходу и как промышленные, так и бытовые потребители переходят с метана на водород, как старые, так и новые системы должны будут работать бок о бок. Создание этих систем и значительное увеличение пропускной способности сети CCUS значительно увеличат спрос на экспертные знания в области трубопроводов. Независимо от того, новый или перепрофилированный, хорошо спроектированный и обслуживаемый трубопровод может безопасно транспортировать низкоуглеродистые газы илиCO2. Основной проблемой является растущая потребность в трубопроводах для обеспечения одобрения планирования землепользования и общественного признания, особенно для берегов рек и морей.

Энергетическая структура и наноматериалы

Большая часть энергетического ландшафта зависит от создания крупной инфраструктуры: бурения на больших глубинах и транспортировки топлива на огромные расстояния. Возобновляемые источники энергии также расширяются. Крупнейшей ветротурбиной, находящейся в эксплуатации в настоящее время, является GE Haliade-X, который имеет мощность 14 МВт и высоту 248 м. Вскоре его затмят Весты V236 мощностью 15 МВт и высоторой 260 м.

Однако достижения в области технологий в самых малых масштабах также имеют большой потенциал для воздействия на энергетический сектор. Нанотехнологии стали чем-то вроде универсального термина для описания достижений науки и техники, работающих в нано- или микрометровом масштабе. В случае материаловедения уже давно считается, что влияние крошечных особенностей структуры материала оказывает значительное влияние на весь материал.

Поскольку общество фокусируется на устойчивости, одной из потенциальных областей, в которых наноразмерные разработки могут поддержать энергетический сектор, является разработка самовосстанавливающихся материалов. Областью особого интереса в гражданском строительстве является разработка эффективных методов самовосстановления бетонов. Это может показаться футуристичным, но на прошлом опыте можно многому научиться.

Учимся у римлян

Энергетические игроки хорошо осведомлены о том, насколько суровой может быть морская среда для искусственных сооружений. Однако в Средиземноморье есть много примеров конкретных римских гаваней, которые насчитывают более 2000 лет. Недавний научный анализ показал, что невероятное долговечность этих конструкций обусловлена синергетической связью между бетоном и морской водой.

Соли, присутствующие в морской воде, со временем вступили в реакцию с бетоном, образуя микроскопические кристаллы в форме пластин, которые действуют как армирование и создают композитную структуру материала. Эти кристаллы могут изгибаться при приложении нагрузки к конструкции, предотвращая растрескивание бетона.

Это подчеркивает возможности морских структур извлекать выгоду из окружающей среды, а не просто бросать ей вызов.

Продолжается работа по разработке современных эквивалентов бетона в римском стиле и связанных с ними новых подходов. Например, исследовательские проекты направлены на включение бактерий в бетонные смеси с целью достижения аналогичного эффекта. Некоторые виды бактерий могут превращать кальций в минеральный кальций-карбонат. Бактерии являются также чрезвычайно выносливы и могут выжить, будучи заключенными в бетон, войдя в состояние покоя. Когда в бетоне образуется трещина, попадание воды вызывает активизацию подвергшихся воздействию бактерий, что приводит к образованию минерального компонента, который закупоривает трещину, сохраняя целостность бетона.

Недавний научный анализ показал, что невероятная долговечность римских портовых сооружений обусловлена синергетической связью между бетоном и морской водой.

Учимся у природы

В этом случае присутствие бактерий призвано оказывать благотворное воздействие, в то время как чаще всего идентификация бактерий и других микробов является причиной для беспокойства.

Проблема коррозии под микробиологическим воздействием (Microbiologically Influenced Corrosion, MIC) долгое время считалась частью операционной задачи в нефтегазовой инфраструктуре. Механизмы коррозии могут быть ускорены присутствием прикрепленных сообществ бактерий на поверхности материала – они известны как биопленки. Если вы когда-либо оставляли некоторые овощи в холодильнике достаточно долго, чтобы случайно образовался слизистый осадок, то у вас уже есть некоторый личный опыт того, насколько неприятными могут быть эти биопленки.

Инфраструктура возобновляемых источников энергии не застрахована от этой проблемы, действительно, любая окружающая среда (если только она не стерилизована), в которой встречаются вода и металл, приведет к образованию биопленки, которая может привести к MIC. Предотвращение коррозии всегда предпочтительнее, чем устранение выявленной проблемы.

Здесь нанотехнологии предлагают некоторые захватывающие возможности для модификации поверхности трубопроводов или монолитных конструкций, чтобы предотвратить прикрепление бактерий и даже присутствие воды, что значительно снижает риск коррозии.

DNV уже оказывает поддержку клиентам в секторе возобновляемых источников энергии, которые испытывают проблемы с коррозией в своей морской инфраструктуре возобновляемых источников энергии.

Выходя за рамки энергетического сектора, предотвращение прилипания бактерий к поверхностям материалов также представляет большой интерес для медицинского сообщества. Здесь задача состоит в том, чтобы адаптировать поверхности материалов, которые, как известно, хорошо переносятся организмом, для повышения их способности бороться с биопленками. Заимствование из структур в природе, передовые исследования влияния различных микроскопических узоров на поверхности материалов, таких как имитация узоров, обнаруженных на плавниках акул и панцирях крабов, были эффективны в уменьшении бактериальной адгезии. Один из таких шаблонов был разработан для создания функциональных продуктов, которые уменьшают передачу бактерий с поверхностей, таких как дверные ручки, путем добавления текстур поверхности в микромасштабе.

Применение в энергетическом секторе

Несмотря на эти успехи, практичность производства труб или конструкционных материалов в масштабах, необходимых для энергетической инфраструктуры, с использованием этих новых технологий нанесения рисунка поверхности вряд ли будет иметь коммерческий смысл. Скорее, способность обрабатывать установленные материалы для достижения того же эффекта представляет гораздо больший интерес. Здесь покрытия на основе наноматериалов могут предоставить интересные возможности.

Смачиваемость – это термин, используемый для описания того, насколько легко жидкости поддерживать контакт с поверхностью. Низкая смачиваемость является полезным свойством для верхней одежды и снаряжения для кемпинга, где вода образует шарики и скатывается по поверхности, а не насыщает волокна.

Например, снижение смачиваемости поверхности трубопровода уменьшает взаимодействие этого материала с любой окружающей водой. Это имеет двойное преимущество, заключающееся в снижении риска общей коррозии и делает поверхность гораздо менее благоприятной для бактерий, что снижает риск заражения микрофлорой.

Супергидрофобные покрытия позволяют модифицировать широкий спектр базовых материалов, значительно снижая смачиваемость поверхности. Исследователи изучают эти покрытия, которые включают широкий спектр наноматериалов, таких как оксиды титана и кремния, для самоочищения и защиты от обледенения, а также для биообрастания и снижения коррозионности. Эти покрытия могут наноситься несколькими различными способами, в том числе подходящими для массового производства, такими как нанесение методом погружения.

“Обледенение” ветряных турбин может нанести огромный ущерб их функционированию и эффективности. Антиобледенительные покрытия могут быть получены на основе супергидрофобных структур, а также ледофобных систем или электропроводящих углеродных нанотрубок, в том числе с использованием нанотехнологий. Это все варианты для производителей ветротурбин для защиты не только лопастей турбин от наледи, но и оборудования телеметрии и мониторинга, которое является жизненно важной частью работы ветроэлектростанции. Еще одно приложение, в котором технологии на основе наноматериалов, как ожидается, окажут огромное влияние именно на защиту компонентов от воздействия износа. Результирующее повышение эффективности и возможное продление срока службы обработанных компонентов должно позволить операторам производить больше энергии при использовании тех же объемов сырья и конструкционных материалов.

Хотя добавление таких покрытий в новую энергетическую инфраструктуру является захватывающим, потенциал для разработки супергидрофобных покрытий, которые можно было бы наносить на существующие активы, принесли бы огромную пользу отрасли.

Достижения в понимании сложных взаимодействий между химией поверхности и различными молекулами привели к росту производства самосборных монослоев (SAMs). Самое замечательное в SAM то, что химия компонентов разработана таким образом, чтобы взаимодействовать с материалом подложки для создания регулярной упорядоченной структуры на молекулярном уровне в рамках процесса нанесения покрытия. Крошечные количества материала образуют однослойные структуры, которые обычно составляют всего десятки атомных расстояний, и все же их влияние на смачиваемость поверхности значительно. Хотя это еще не разработано, существует заманчивая возможность разработать систему, с помощью которой смесь наноматериалов и растворителей можно было бы использовать для “обработки” существующего трубопровода или сосудов, которые затем могли бы получить выгоду от повышения коррозионной стойкости.

5. Сетчатые сети постоянного тока

Сетчатые и многополюсные сети HVDC (high-voltage direct current linе, высоковольтные сети постоянного тока) – это малозатратные, экономически эффективные методы интеграции крупномасштабных и удаленных возобновляемых источников энергии. В то время как проекты HVDC ограничены совместимостью наземных сетей и отсутствием моделей межрегионального и международного сотрудничества, HVDC сети в Азии продемонстрировали свою техническую осуществимость. В этой главе мы обсудим различные методы для сетей HVDC и потенциальные барьеры на пути их внедрения.

Морские ветряные турбины (Дания) с подстанцией на переднем плане

Интеграция возобновляемых источников энергии

Для достижения климатических целей МГЭИК нам нужна сеть, которая может поддерживать постоянно расширяющиеся возобновляемые источники энергии.

Морской ветер, в частности, быстро растет. Стратегия Европейской комиссии направлена на повышение мощности морского ветра в Европе по сравнению с ее нынешним уровнем 12 ГВт по меньшей мере до 60 ГВт к 2030 году и до 300 ГВт к 2050 году.

США планируют крупное развертывание морского ветра до 30 ГВТ к 2030 году, в основном, у побережья Нью-Йорка.

Однако наземные сети еще не готовы справиться с такими масштабами накопления энергии морского ветра. Интеграция и проблемы совместимости включают методы подключения, доступные технологии, балансировку местных и региональных потребностей, взаимосвязанность, связь с рынком, стоимость и другие параллельные новые технологии.

Концепции подключения

Технология HVDC. Подключение и интеграция растущей мощности возобновляемых источников энергии требует капитального ремонта существующих наземных сетей передачи и создания совершенно новых систем передачи в отдаленных и труднодоступных районах, таких как шельф и пустыни. Необходимость покрытия больших расстояний передачи с постоянно растущими мощностями передачи стимулирует быстрое внедрение технологии передачи HVDC. Системы передачи постоянного тока имеют низкие потери и обладают высокой управляемостью по сравнению с традиционными системами переменного тока.

Эти свойства вдохновляют на создание суперсетей, которые охватывают континенты и соединяют возобновляемые источники энергии с центрами загрузки через множество национальных границ. Эти суперсети могут выполнять несколько функций передачи, включая экспорт возобновляемых источников энергии из удаленных источников, поставку удаленных грузов, таких как морские нефтегазовые платформы, укрепление наземных синхронных сетей переменного тока и интеграцию энергетических рынков путем обеспечения обмена энергией и торговли через национальные границы. На рисунке 5.1 показаны три возможных варианта расположения систем HVDC.

Системы HVDC «точка-точка». Традиционные системы HVDC созданы для одной цели. Обычно это достигается с помощью двухточечных систем с преобразователями на каждом конце линии и кабелей HVDC. Такие системы могут быть разработаны как единый проект и закуплены у одного поставщика. Несколько систем «точка-точка » могут быть построены параллельно или последовательно и соединены на стороне переменного тока для увеличения пропускной способности или расстояния связи.

Непредвиденные обстоятельства на одном из каналов постоянного тока могут быть выборочно устранены путем размыкания выключателей преобразователя переменного тока на обоих концах, не затрагивая другие подключенные каналы постоянного тока типа «точка-точка». Однако поэтапное построение сеток, состоящих из отдельных точек-точек для подключения HVDC требуется большое количество преобразователей, которые являются дорогостоящими для сборки и эксплуатации и вызывают значительные потери мощности.

Многополюсные системы HVDC. Многополюсная технология HVDC объединяет несколько параллельных или последовательных HVDC сетей на стороне постоянного тока, а не на стороне переменного тока. Эти системы сводят к минимуму количество необходимых преобразователей и оптимизируют использование активов за счет объединения множества систем передачи. Это снижает как затраты на разработку, так и эксплуатационные расходы.

Существует две основные топологии многотерминальных сетей.

“Радиальная многополюсная” HVDC, не имеет параллельных путей передачи постоянного тока (т. е. любые два терминала или узла соединены не более чем одним путем передачи). Если при отключении одного пути нет резервных параллельных путей, отсутствует гарантия непрерывность питания (это имеет место в системах передачи переменного тока с резервированием N-1 на суше).

Сегодня в Китае действует несколько радиальных многополюсных сетей HVDC с 5 терминалами, и еще больше разрабатывается в Европе.

Вторая топология HVDC, «многополюсник с сеткой», имеет параллельные пути передачи постоянного тока и может продолжать передачу, даже если один из путей передачи выходит из строя. Полное резервирование N-1 может быть достигнуто, если параллельные пути имеют достаточную избыточную вместимость. В настоящее время только в Китае действует только одна многотерминальная сетчатая сеть HVDC с четырьмя терминалами.

Защита многополюсной сети HVDC. Одним из важных конструктивных параметров сетей HVDC является потери при подключении сети переменного тока. Единственная самая крупная непредвиденная ситуация в сети HVDC, такая как неисправность кабеля, никогда не должна превышать максимальную потерю подачи при переходе энергии в сеть переменного тока. Это автоматически происходит, когда общая пропускная способность сети HVDC в синхронную зону не превышает локального максимума потери подачи. В случае радиальных многополюсных систем HVDC это накладывает верхний предел на номинальные значения отдельных цепей HVDC и требует выборочного устранения неисправностей (защиты) в сети HVDC.

Выборочное устранение неисправностей разделяет сеть HVDC в случае чрезвычайной ситуации . Это позволяет незатронутой части сети продолжать работу, ограничивая размер непредвиденных обстоятельств и максимальную потерю подачи. В сетчатых многополюсных сетях постоянного тока система защиты также автоматически перенаправляет передачу электроэнергии на резервный путь, чтобы обеспечить непрерывность передачи всей или части мощности. Сетчатые многополюсные сети HVDC, таким образом, более применимы в ситуациях, когда не допускается потеря мощности (например, подача на большие центры нагрузки) или когда пропускная способность отдельных цепей превышает максимальную потерю подачи.

Для выборочного устранения неисправностей HVDC требуется современное оборудование, такое как автоматические выключатели HVDC, преобразователи блокировки неисправностей и высокоскоростные переключатели. Стандарты и руководящие принципы для интеграции этих систем в настоящее время все еще отсутствуют, а реальный опыт эксплуатации остается недостаточным и ограничивается Китаем. Следовательно, их внедрение и внедрение крупных многотерминальных сетей HVDC остается редкостью в отрасли, которая часто технически консервативна.

Пропускная способность кабеля. В целях минимизации затрат и воздействия на окружающую среду и местные сообщества, многотерминальные сети HVDC должны минимизировать количество и длину кабелей/линий, используя кабели, рассчитанные на максимально возможное напряжение. Однако максимальная мощность производимых кабелей является ограничивающим фактором для сетей HVDC с подводными или подземными кабельными каналами. В настоящее время наибольшими доступными мощностями являются кабельные системы с экструдированной изоляцией 525 кВ, разрабатываемые в Европе, которые обеспечивают пропускную способность до 2,6 ГВт. Это превышает максимальную потерю общей подачи нескольких европейских сетевых зон, граничащих с Северным морем (например, UK = 1,8 ГВт, DK1 = 0,7 ГВт, NO = 1,2 ГВт и т.д.), что демонстрирует потребность в многотерминальных системах HVDC с устранением неисправностей в Европе. Аналогичная ситуация наблюдается и на северо-востоке США.

Цели в области возобновляемых источников энергии, превышающие текущую максимальную мощность, стимулируют разработку кабелей с более высокой номинальной мощностью.

Драйверы и барьеры для многополюсных сетей-

Переход в проектировании сетей HVDC от нескольких взаимосвязанных систем HVDC типа «точка – точка» к радиальным многополюсным системам HVDC обусловлен потенциалом снижения как инвестиционных, так и эксплуатационных затрат. Развитие удаленных возобновляемых источников энергии в сочетании с необходимость укрепления существующих сетей передачи и интеграции энергетических рынков создает потребность в системах передачи, таких как многотерминальные сетевые технологии HVDC.

Разработка ячеистых сетей HVDC, по сравнению с радиальными, в большей степени мотивируется техническими соображениями и соображениями системной интеграции, чем затратами.

Совместимость наземных и морских сетей

Уровни интеграции морского ветра составляют примерно 10% от пиковой нагрузки национальной мощности с коэффициентами мощности 39,5% к 2020 году на первых движущихся рынках. Это увеличится более чем на 25% к 2030 году в потенциально более слабой ситуация в передающей сети при крупномасштабном снижении сжигания угля.

Существует возможность для взаимосвязанных, чтобы включить еще больше морского ветра. Отдельные морские ветроцентрали мощностью до 3 ГВт приведут общую систему к ее контролируемым пределам. Здесь необходимо разработать новые рыночные правила, чтобы четко определить, как ответственность за энергосистему будет распределяться между основными участниками в различных областях контроля.

Перспектива DNV

Предусмотренные многоцелевые, многоакторные, многовендорные, многонациональные и многотерминальные сети HVDC не будут планироваться, проектироваться и строиться одновременно. Вместо этого они будут расти поэтапно, органично. Оборудование и системы требуют технических, нормативных, и экономической совместимости и интероперабельности. Это должно быть достигнуто с помощью набора четких технологических и целевых минимальных требований, которых придерживаются все участники разработки суперсети. Это потребует далеко идущей координации на многих различных уровнях. Директивным органам, специалистам по сетевому планированию и проектировщикам необходимо будет сотрудничать для определения нормативных соглашений, функциональных требований, технических параметров и аспектов проекта.

Сетевая оффшорная сеть HVDC в Европе – the PROMOTioN JIP

Проблемы, стоящие перед развертыванием сетевых морских сетей HVDC в Европейском союзе охватывают множество различных аспектов. Проект PROMOTioN (Progress on Meshed HVDC Offshore Transmission Networks) позволил выявить различные необходимые предпосылки, включая экономически эффективную и надежную преобразовательную технологию; системы защиты сетей HVDC; компактное распределительное устройство HVDC; и финансовые рамки для развития инфраструктуры.

Отсутствие скоординированного плана развертывания и нормативной базы, а также отсутствие соглашений между производителями, разработчиками и операторами сети также представляет собой текущие препятствия для развертывания морской сети HVDC.

Проект продвижения направлен на решение этих задач с конечной целью раскрытия всего потенциала морских ресурсов Европы.

Проект продвижения, возглавляемый DNV, финансируется в рамках рамочной программы ЕС «Горизонт 2020» и включает 34 партнера из 11 различных европейских стран, которые интенсивно сотрудничали в течение последних 4 лет.

Организационная структура проекта была основана на 15 рабочих пакетах, каждый из которых рассматривает различные аспекты трудностей. Объединяя ключевые заинтересованные стороны из промышленности, научных кругов, консультантов и операторов систем передачи, PROMOTioN одновременно обеспечивает платформу для междисциплинарного развития и повышает признание необходимых новых технологий и структур.

Дополнительная информация доступна по адресу: https://www.dnv.com/research/review-2020/featured-projects/promotionmeshed-offshore-hvdc-grids.html

Scroll Up