Эндрю Риско
27 февраля 2019 г.
Представлено в качестве курсовой работы для PH241 , Стэнфордский университет, зима 2019 г.
Рис. 1: Цены на установленную генерирующую мощность по годам. (* Включает стоимость вспомогательного оборудования, необходимого для создания базовой нагрузки. Источник: A. Riscoe, согласно Lovering and Fu et al. [4,8])
Введение
Изменение климата недавно было признано серьезной проблемой во всем мире. Парижское соглашение ООН по климату, подписанное в 2016 году и ратифицированное 184 странами, установило предел повышения глобальной средней температуры всего на 2 °C за счет сокращения выбросов CO 2 .. Учитывая, что как в промышленно развитых, так и в промышленно развивающихся странах потребление энергии, по прогнозам, только увеличится в следующем столетии, безуглеродные источники должны удовлетворять растущий спрос, а также вытеснять часть нынешней углеродной энергии, используемой сегодня в мире. Возобновляемые источники, такие как гидроэлектроэнергия, ветровая и солнечная энергия, являются новыми источниками, обеспечивающими около 3% мировых мощностей по выработке электроэнергии в 2012 году. [1] В том же году ядерная энергия питала 10,6% мировой электрической сети. Недавние отчеты показывают, что впервые в истории атомная энергия была дороже, чем солнечная, в расчете на установленную стоимость на единицу генерирующей мощности.
Сравнение методов производства электроэнергии
Ядерная энергия производится путем деления урана или плутония, процесса, который высвобождает огромное количество энергии в виде тепла и излучения. Ядерные реакторы производят устойчиво высокий уровень электроэнергии без образования углекислого газа. Генерирующие станции строятся на срок службы примерно 50 лет и будут работать на высокой мощности в течение значительной части этого времени из-за сложности запуска и остановки. Однако производство растений дорого из-за необходимости процессов управления и физического сдерживания активной зоны ядерного деления. Делящиеся отходы также сильно радиоактивны, и в настоящее время не существует доступных методов восстановления отходов радиоактивности в течение примерно 1000 лет, когда распадутся наиболее мощные источники излучения. [3] Это создает проблему общественного имиджа, а также потенциальную угрозу со стороны враждебных групп. Солнечная энергия производится путем возбуждения электронов в полупроводниковом материале из валентной зоны в зону проводимости, где они собираются с электрическим потенциалом (напряжением) от поглощения солнечного света. Солнечные панели могут быть развернуты на малых или крупных объектах в зависимости от рынка электроэнергии. Низкая интенсивность входящего света в сочетании с низкой эффективностью коммерческих кремниевых солнечных элементов (что означает, что только около 20% входящего солнечного света преобразуется в электроэнергию) означает, что площадь для солнечных установок велика по сравнению с другими источниками топлива. Однако самой большой проблемой при использовании солнечной энергии является периодичность. Поскольку клетки могут собирать энергию только тогда, когда светит солнце,
Текущий экономический ландшафт
Безопасное производство атомной энергии обходится дорого. Несмотря на 70 с лишним лет исследований конструкций реакторов, инженерные затраты на проектирование установок с учетом специфики мест развертывания и затраты на строительство приводят к тому, что капитальные затраты на производство установок настолько высоки, что их расчетная стоимость составляет около 4000 долларов США за кВт на объекте мощностью ~ 1,1 ГВт во всем мире. Ужесточение регулирования в США, а также дополнительные затраты на строительство электростанции такого размера недавно увеличили фактическую стоимость современных ядерных реакторов до 8500 долларов за кВт. [4] Эти факторы, а также отсутствие каких-либо рыночных сил, стимулирующих безуглеродную энергетику, привели к сокращению использования ядерной энергии для производства электроэнергии. И наоборот, цена установленной солнечной энергии резко упала за последние годы. Стоимость электроэнергии, поставляемой солнечной энергией, снизилась на ошеломляющие 75–90% с 2007 по 2017 год. [5] Это снижение стоимости в основном связано с развитием китайского сектора производства солнечных панелей. Эта отрасль находилась в зачаточном состоянии в 2008 году, в основном обеспечивая потребности отдаленных населенных пунктов, не имеющих доступа к китайской сети. [6] В 2008 году чрезвычайно популярная немецкая программа субсидирования солнечных батарей для жилых помещений создала огромный спрос без предложения. Некоторые немецкие стимулы сопровождались огромной (около 50 миллиардов долларов) капитальной субсидией от правительства Китая для производства солнечных модулей, что способствовало быстрому строительству и масштабному внедрению. [6] Как только немецкий рынок не смог обеспечить достаточный спрос, Китайское правительство удвоило субсидирование отрасли и предложило стимулы для работы в Китае объектов солнечной энергетики коммунального масштаба, создав большой внутренний рынок. Это способствовало быстрому росту отрасли, что позволило использовать эффект масштаба для снижения себестоимости производства солнечных модулей. Субсидия на объекты энергетики была прекращена в июне 2018 года из-за финансового воздействия на государство, которое привело к текущему (февраль 2019 года) избытку солнечных модулей на рынке, что привело к дальнейшему снижению мировых цен. [5] Хотя этот переизбыток, скорее всего, временный, китайская индустрия солнечных панелей сделала вычеты из реальных затрат, которые помогли увеличить использование солнечной энергии примерно в 26 раз с 15 ГВт в 2008 г. до 390 ГВт глобальной мощности солнечной электроэнергетики в 2017 г. $1300/кВт. [7,8]
Обсуждение
Если бы это было так просто, как сравнение стоимости установленной ядерной энергии ~ 6500 долларов за кВт с установленной солнечной энергией ~ 1300 долларов за кВт, было бы очевидно, что солнечная энергия полностью вытеснила бы ядерную энергию. Чтобы солнечная энергия могла полностью конкурировать с генераторами базовой нагрузки, такими как ядерные, необходимо также использовать накопители энергии. По состоянию на 2016 год в Соединенных Штатах было ~ 1200 ГВт генерирующих мощностей и ~ 700 МВт аккумуляторных батарей, которые при полной мощности могут удерживать ~ 850 МВтч энергии. [9] По сути, энергосистема США может хранить около 0,5% мощности в течение часа. Ясно, что если бы весь рынок электроэнергии США был солнечным, для использования в ночное время было бы мало электроэнергии. EIA оценивает стоимость установленного накопителя энергии в батареях примерно в $1500 кВт для батарей, срок службы которых составляет 2 часа. Эта цена во многом зависит от общей мощности энергии и продолжительности. В гипотетической солнечной электростанции мы можем создать аналогичный генератор базовой нагрузки, просто усредняя нашу мощность за 24 часа и учитывая запас энергии для питания объекта в течение каждой ночи. В качестве аргумента предположим, что хранилище стоит 1500 долларов США за кВт и может обеспечить 2 часа питания. Этому гипотетическому объекту потребуется хранилище для обеспечения электроэнергией в течение 16 часов, пока не светит солнце, при общей стоимости 12000 долларов за кВт. Кроме того, поскольку нам нужно заряжать хранилище в течение 2/3 дня, мы должны увеличить нашу мощность для той же мощности, что доводит стоимость генерации до ~ 4900 долларов США за кВт. Так что теперь наша базовая солнечная установка стоит колоссальные ~ 16900 долларов за кВт, что намного менее привлекательно, чем первоначальная оценка ~ 1300 долларов за кВт или 8500 долларов за кВт ценник ядерной установки. Глядя на рис. 1, график с этими затратами, легко увидеть, как маловероятно, как это »
Выводы и перспективы
На нынешнем уровне развития, даже с более дешевыми солнечными модулями, солнечная энергия не может конкурировать с ядерной энергией для генерации базовой нагрузки на основе прерывистости. Другие менее интенсивные приложения для хранения гораздо более привлекательны для солнечной энергии. Прогнозы указывают на несколько более благоприятное увеличение стоимости развертывания солнечной энергии на 25% сети (только 4-кратное увеличение цены, включая хранение), чем представленный здесь гипотетический сценарий, хотя предел, вероятно, составляет около 60% рынка электроэнергии. [10,11] Хотя ренессанс в области хранения энергии возможен, учитывая, что производство солнечной энергии в Китае выросло всего за 5 лет, это маловероятно. Некоторые правительственные силы помогают в этом, например, Калифорния имеет мандат на 1300 МВт емкости хранения к 2025 году и может стать масштабным рынком солнечной энергии.
© Эндрю Риско. Автор гарантирует, что работа является собственностью автора и что Стэнфордский университет не предоставил никакой информации, кроме руководств по набору текста и ссылкам. Автор разрешает копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде с указанием автора только в некоммерческих целях. Все остальные права, включая коммерческие права, принадлежат автору.
использованная литература
[1] Н. Фуангпорнпитак и др. Возможности и проблемы интеграции возобновляемых источников энергии в систему Smart Grid Energy Procedia 34 , 282 (2013).
[2] С. Рид, « Возрождение Америки в пользу возобновляемых источников энергии: глобальные энергетические тенденции », New York Times, 13 ноября 17.
[3] А.Г. Крофф и соавт. , «Графические и табличные сводки характеристик распада для прямоточных материалов топливного цикла PWR, LMFBR и FFTF», Национальная лаборатория Ок-Ридж, ORNL / TM-8061 , январь 1982 г.
[4] Дж. Ловеринг и др. , «Исторические затраты на строительство мировых ядерных энергетических реакторов», Energy Policy 91 , 371 (2016).
[5] Д. Стэнвей, « Китай ускорит усилия по сокращению субсидий на солнечную и ветровую энергию: проект руководящих принципов », Reuters, 16 сентября 18.
[6] Дж. Фиалка, « Почему Китай доминирует в солнечной промышленности », Scientific American, 19 декабря 16.
[7] « Статистика возобновляемых источников энергии за 2018 г.», Международное агентство по возобновляемым источникам энергии, 2018 г.
[8] Р. Фу и соавт. , «Эталонный показатель стоимости солнечной фотоэлектрической системы в США: первый квартал 2017 г.», Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, технический отчет NREL/TP-6A20-68925 , сентябрь 2017 г.
[9] « Тенденции рынка хранения аккумуляторов в США», Управление энергетической информации США, май 2018 г.
[10] Л. Хирт, «Рыночная стоимость переменных возобновляемых источников энергии, влияние изменчивости энергии солнечного ветра на их относительную цену», Energ. Экон. 38 , 218 (2013).
[11] А. Воан, « Солнечная и ветровая энергия дешевле, чем новая ядерная энергия к моменту постройки Хинкли », The Guardian, 11 августа 16.