При моделировании энергосистем необходимо учитывать больше нюансов, связанных с солнечной энергетикой

Аккумулятор Challenger A12-200

В настоящее время солнечная фотоэлектрическая энергетика является важнейшим источником энергии. Во многих моделях энергетических систем до сих пор не учитываются технологии, которые уже стали стандартом на современном рынке солнечной фотоэлектрической энергетики. В этой статье мы призываем разработчиков моделей энергетических систем лучше отражать реальные тенденции в сценариях, направленных на прогнозирование энергетического перехода, и предлагаем в качестве пищи для размышлений ключевые исследования учёных из Университета Лаваля.

Солнечная фотоэлектрическая энергетика — это разнообразная технология с множеством вариантов, каждый из которых имеет свои особенности

Солнечные фотоэлектрические системы на крышах играют ключевую роль в глобальном энергетическом переходе с момента своего появления, начиная с селеновой батареи Чарльза Фриттса на крыше в Нью-Йорке в 1883 году. Современная эра началась в 1940-х годах, когда в Bell Labs была разработана первая кремниевая фотоэлектрическая батарея, что привело к её нишевому использованию в космосе и автономных проектах. В 1980-х годах в Калифорнии были построены первые электростанции мощностью в мегаватты, а швейцарский инженер Маркус Реал продвигал небольшие децентрализованные системы на крышах. Это послужило толчком к сегодняшнему буму и стремлению сделать солнечную фотоэлектрическую энергию основой для обеспечения устойчивого будущего в системах, работающих на 100 % возобновляемой энергии для повышения нашей производительности с целью создания устойчивой глобальной цивилизации. В настоящее время на фотоэлектрические системы на крышах приходится около 40 % ежегодных установок, и ожидается, что к середине 2030-х годов их доля на рынке составит около 25 %, по сравнению с более чем 90 % в 2015 году. Менее половины из них оснащены накопителями, но снижение стоимости фотоэлектрических систем и аккумуляторов способствует росту самопотребления. Исследователи из Университета Лаваля отметили важность солнечных фотоэлектрических систем на крышах и просамеризма, опубликовав несколько статей на эту тему, чтобы глубже понять динамику и движущие силы просамеризма в сфере солнечной фотоэлектрической энергетики. В них подробно рассматриваются более ранние анализ паритета энергосистем, который заложил основу для сегодняшних представлений о фотоэлектрических просьюмерах, несмотря на продолжающуюся недооценку в общих международных дискуссиях об энергетике и значительное снижение стоимости:

«Оптимальное с точки зрения затрат самопотребление фотоэлектрических просуммеров со стационарными аккумуляторами, тепловыми насосами, накопителями тепловой энергии и электромобилями по всему миру до 2050 года» — это первый глобальный вклад в оптимизацию самопотребления бытовых фотоэлектрических просуммеров. В исследовании представлены результаты, выходящие за рамки систем с солнечными фотоэлектрическими батареями, в том числе микросекторальная взаимосвязь электроэнергии, тепла и транспорта в рамках системы бытовых просуммеров. Авторы приходят к выводу, что максимизация собственного потребления является наиболее экономичным решением в любом регионе мира, поскольку позволяет удовлетворить высокий спрос на электроэнергию и тепло. Несмотря на все усилия по максимизации, в большинстве регионов мира коэффициент собственного потребления составляет всего около 50 %, что оставляет возможности для дальнейшего улучшения.

В последовательном исследовании под названием «Сезонное хранение водорода для бытовых солнечных фотоэлектрических систем, подключенных и не подключенных к сети: революционное решение или нишевый рынок для энергетического перехода до 2050 года?» исследователи включили технологию сезонного хранения водорода в усовершенствованную модель бытовых систем, чтобы еще больше увеличить их автономность. Небольшие решения для хранения водорода в жилых домах технически осуществимы, но имеют значительные экономические недостатки, поскольку дополнительная система хранения может стать нишевым рынком для автономных решений, в то время как балансировка сети более актуальна для сетевых систем. Тем не менее тот же парадокс наблюдается в отношении автомобилей премиум-класса, которые продаются в больших количествах.

В совместной статье с ETIP-PV под названием «Привлекательность фотоэлектрического проусермизма на европейском рынке электроэнергии» были исследованы три сегмента рынка фотоэлектрических проусермизмов для жилых, коммерческих и промышленных объектов на репрезентативных европейских рынках в Финляндии, Германии, Франции, Италии и Испании. Все сегменты рынка во всех исследованных странах оказались привлекательными, а срок окупаемости в некоторых сегментах составил всего 4 года. Ключевыми факторами привлекательности являются низкая стоимость капитала и высокий уровень самопотребления.

В своём последнем исследовании «Оценка различий в производительности: ожидаемая и оптимальная производительность фотоэлектрических систем на крышах и их влияние на жизнеспособность потребителей солнечной энергии» исследователи усовершенствовали модель прогнозирования производительности фотоэлектрических систем на крышах. В качестве отправной точки были проанализированы профили производительности наземных фотоэлектрических систем с фиксированным углом наклона, и была выявлена разница в производительности фотоэлектрических систем промышленного масштаба и фотоэлектрических систем на крышах. В статье делается вывод о том, что солнечные фотоэлектрические системы на крышах жилых домов в среднем вырабатывают на 18 % меньше энергии в год, коммерческие системы — на 7 %, а крупные промышленные солнечные фотоэлектрические системы на крышах — на 4 % . Жизнеспособность солнечных фотоэлектрических систем, используемых потребителями и производителями, не находится под угрозой, хотя повышение выработки привело к увеличению годовых затрат на 20 %, что делает важным учёт солнечных фотоэлектрических систем на крышах и потребителей и производителей при моделировании перехода к новой энергетической системе.

Лишь в нескольких моделях перехода к новой энергетической системе проводится различие между централизованными и распределёнными вариантами использования солнечной фотоэлектрической энергии, а просьюмеры используются только в трёх моделях: GCMOM/LOADMATCH, PyPSA и LUT-ESTM. Если в модель включена солнечная фотоэлектрическая энергия, получаемая с крыш, то раскрытие основных предположений о различиях в доходности ещё не является актуальным. Таким образом, можно отметить недостаточное внимание к солнечным электростанциям, получающим энергию с крыш, и просьюмерам. Учитывая исторически сложившуюся и сохраняющуюся важную роль солнечных фотоэлектрических систем на крышах, а также их значимость для домовладельцев во всё большем числе стран мира, исследователям и представителям отрасли следует обратить внимание на этот пробел. В целом мировой годовой потенциал солнечной фотоэлектрической энергии на крышах можно оценить примерно в 27 000 ТВт·ч. В зависимости от дальнейшего развития эта энергия может покрывать до 10 % мирового спроса на первичную энергию к концу столетия.

Недостатки в моделировании наиболее важного источника энергии XXIго века также характерны для солнечных электростанций промышленного масштаба. Серьезным препятствием в развитии технологий является отсутствие систем горизонтального одноосевого слежения (HSAT). Из всех моделей энергетических систем только три включают в себя солнечные электростанции HSAT: GCMOM/LOADMATCH, LUT-ESTM и модель ANU, а недавно к ним присоединилась еще одна: PyPSA. Таким образом, результаты всех остальных моделей не отражают текущую ситуацию, при которой системы HSAT на сегодняшний день занимают более 35 % мирового рынка солнечных фотоэлектрических систем промышленного масштаба. Ожидается, что системы HSAT значительно повысят эффективность энергетических систем.

Однако HSAT также можно оптимизировать. В подробном исследовании на тему «Влияние стратегий возврата к исходному состоянию на технико-экономику горизонтальных одноосевых солнечных фотоэлектрических электростанций» исследователи из Университета ЛУТ подробно рассмотрели стратегии возврата к исходному состоянию. Важным результатом исследования стал вывод о том, что стандартный метод «обратного хода», направленный на то, чтобы любой ценой избежать взаимного затенения рядов электростанций, может оказаться не самым экономичным вариантом, поскольку угол падения значительно увеличивается, что приводит к снижению совокупной стоимости владения на 12 % при использовании передовых интеллектуальных стратегий «обратного хода» с учётом всех факторов, влияющих на производительность электростанции.

Как и в случае с системами HSAT, технология двусторонних солнечных фотоэлектрических панелей пока не используется в качестве стандарта при моделировании энергосистем, несмотря на то, что она технически доступна с 1980-х годов, когда произошёл коммерческий прорыв, который привёл к ускорению развития рынка с начала 2020-х годов. Ожидается, что в 2025 году доля рынка превысит 90 %. В последнем исследовании учёных из Лиссабонского университета «Оценка влияния двусторонних солнечных фотоэлектрических систем на энергосистемы будущего на основе моделирования производительности электростанций с оптимизированной плотностью мощности» детальное моделирование двусторонних солнечных фотоэлектрических систем с фиксированным наклоном, высокоинтенсивных двусторонних солнечных фотоэлектрических систем и вертикальных систем показало, что двусторонние солнечные фотоэлектрические системы не меняют правила игры, но позволяют улучшить работу всей системы, в том числе снизить среднюю стоимость электроэнергии на 2%. Двусторонняя солнечная фотоэлектрическая система имеет исключительные перспективы для использования в сельском хозяйстве, особенно в виде вертикальной солнечной фотоэлектрической системы, поскольку профиль выработки электроэнергии без полуденного пика может поддерживать работу электросетей. Кроме того, ожидается, что двусторонняя солнечная фотоэлектрическая система будет оказывать меньшее воздействие на окружающую среду.

Другие варианты применения солнечных фотоэлектрических систем ещё предстоит изучить. Один из открытых вопросов — это крупномасштабный потенциал плавучих морских солнечных фотоэлектрических систем, которые могут сыграть важную роль для малых островных государств, целых регионов архипелагов, а также стать потенциальным улучшением для морских ветряных электростанций с точки зрения общей экономики. Плавучие морские солнечные фотоэлектрические системы входят в число трёх основных технологий использования энергии океана, дополняя морскую ветроэнергетику и волновую энергетику. Солнечные фотоэлектрические установки год за годом бьют новые рекорды и доказывают важность солнечной фотоэлектрической энергии для будущих энергетических систем, основанных на электричестве. Разнообразие и детализация этой технологии должны быть отражены в моделировании энергетических систем, чтобы можно было принимать правильные политические решения и поддерживать развитие промышленности с помощью детальных исследований. Мы призываем исследователей учитывать развитие солнечной фотоэлектрической промышленности, внедряя различные технологии в моделирование энергетических систем.