Будущее угольных электростанций в мире возобновляемой энергетики

Сдвиг ландшафта угольной энергетики в эпоху возобновляемых источников энергии

По мере того, как возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, ветровая и гидроэнергетика, становятся все более доминирующими, роль угольных электростанций - когда-то основа промышленных экономик - ставится под сомнение, как никогда раньше. Уголь исторически обеспечивал надежную, диспетчерскую базовую нагрузку электроэнергии при относительно низких затратах, подпитывая экономический рост в развитом мире. Тем не менее растущие экологические затраты в сочетании с резким снижением цен на технологии чистой энергии вынуждают переоценивать место угля в будущем энергетическом балансе. В этой статье рассматривается траектория угольной энергетики, силы, ускоряющие ее снижение, технологии, которые могут продлить ее актуальность, а также сложные политические, экономические и социальные аспекты перехода от угля.

Историческое господство угольной электроэнергии

Более века уголь был рабочей лошадкой глобального энергетического сектора. Во время промышленной революции угольные паровые машины приводили в движение заводы, железные дороги и корабли. К середине 20-го века крупные угольные электростанции стали стандартом для централизованной выработки электроэнергии в Соединенных Штатах, Европе и других промышленно развитых странах. На пике в начале 2000-х годов уголь составлял примерно 40% мировой выработки электроэнергии. Такие страны, как Китай, Индия, Соединенные Штаты и Германия, в значительной степени полагались на уголь для удовлетворения быстро растущего спроса. Инфраструктура, построенная вокруг угля — шахты, железные дороги, порты и электростанции — создали глубокие экономические зависимости, которые сохраняются сегодня. Целые сообщества в Аппалачи, Рурской долине и провинции Шаньси были построены на угле. Понимание этого наследия имеет важное значение для понимания масштабов переходного периода, который сейчас происходит.

Экологический и человеческий кризис против угля

Наиболее значительным фактором снижения потребления угля является растущее признание его серьезных экологических и медицинских последствий. Сжигание угля для электричества является одним из крупнейших единичных источников выбросов углекислого газа (CO2) во всем мире, что составляет примерно 30% от общего объема выбросов CO2, связанных с энергетикой. По данным Международного энергетического агентства (FLT: 1), уголь является единственным крупнейшим источником глобального повышения температуры. Помимо CO2 угольные электростанции выделяют диоксид серы (SO2), оксиды азота (NOx), твердые частицы (PM) и тяжелые металлы, включая ртуть. Эти загрязнители вызывают респираторные заболевания, сердечно-сосудистые проблемы и преждевременную смерть. Бремя для здоровья ошеломляет: исследование 2023 года в [FLT: 2]Экологические исследования [FLT: 3] подсчитали, что загрязнение воздуха от угольной энергетики приводит к сотням тысяч преждевременных смертей ежегодно во всем мире. Добыча угля также наносит тяжелый урон, вызывая загрязнение воды, деградацию земель и перемещение населения. Добыча на вершине горы в Аппалачском регионе, например, навсегда изменила ландшафты и загрязнила водные пути.

Неудержимый рост возобновляемых источников энергии

Хотя экологические обязательства угля давно известны, именно резкое снижение затрат на возобновляемую энергию действительно нарушило экономическую жизнеспособность угля. Выровненные затраты на электроэнергию (LCOE) для солнечных фотоэлектрических установок в масштабе коммунальных услуг упали примерно на 85% с 2010 года, в то время как затраты на береговую энергию снизились более чем на 60%. В большинстве частей мира новые солнечные и ветряные электростанции теперь дешевле строить и эксплуатировать, чем новые угольные электростанции, и во многих случаях они дешевле, чем существующие угольные электростанции на основе предельных затрат. Международное агентство по возобновляемым источникам энергии сообщает, что в 2022 году 86% вновь введенных в эксплуатацию возобновляемых мощностей имели более низкие затраты, чем электричество на ископаемом топливе. Солнечная и ветровая энергия также являются модульными, масштабируемыми и все более надежными в сочетании с хранением, что делает их грозными конкурентами углю. Кроме того, возобновляемые источники энергии предлагают энергетическую независимость и избегают волатильности цен на топливо. Поскольку стоимость хранения энергии продолжает падать, проблема прерывистости решается, еще больше ослабляя историческое преимущество угля непрерывной диспетчеризации.

Роль эффективности и технологического прогресса

Повышение эффективности солнечных панелей, ветровых турбин и систем хранения энергии ускорило развертывание. Двусторонние солнечные панели, более крупные и эффективные ветровые роторы и передовые литий-ионные и проточные батареи делают возобновляемые системы более производительными и устойчивыми. Операторы сетей учатся управлять высокими показателями проникновения переменных возобновляемых источников энергии за счет улучшения прогнозирования, управления спросом и взаимосвязи. Эти достижения делают уголь все более излишним в новом планировании мощности.

Политика и регуляторный импульс

Правительства по всему миру проводят политику, которая прямо или косвенно прекращает угольную энергетику. Парижское соглашение об изменении климата, подписанное 196 сторонами, обязывает страны ограничить глобальное потепление до уровня значительно ниже 2°C, с усилиями по сохранению его до 1,5°C. Достижение этих целей требует глубоких и быстрых сокращений генерации угля. Многие развитые страны, включая Великобританию, Германию, Францию и Канаду, объявили о сроках поэтапного отказа от угля между 2030 и 2038 годами. Система торговли выбросами угля в Европейском союзе (ETS) устанавливает цену на углерод, что делает производство угля все более неэкономичным. Китай, крупнейший в мире потребитель угля, взял на себя обязательство достичь пика выбросов CO2 до 2030 года и достижения углеродной нейтральности к 2060 году. Индия, второй по величине потребитель угля, также установила амбициозные цели в области возобновляемых источников энергии, признавая при этом сохраняющуюся роль угля для краткосрочной энергетической безопасности. Эти политические сигналы меняют инвестиционные решения, а финансовые учреждения и страховщики все чаще отказываются от угольных активов из-за риска застрять.

Экономические и социальные аспекты переходного периода

Утилизация угля — это не просто техническая или нормативная проблема — это глубокая экономическая и социальная проблема. Угольные шахты и угольные электростанции обеспечивают прямую занятость миллионам людей во всем мире, и многие другие рабочие места косвенно зависят от цепочки создания стоимости угля. Сообщества, построенные вокруг добычи угля и генерации, сталкиваются с риском экономического коллапса, поскольку шахты закрываются и заводы выходят на пенсию. Концепция «справедливого перехода» набирает обороты, призывая к политике, которая поддерживает пострадавших работников и сообщества посредством переподготовки, сетей социальной защиты, инвестиций в инфраструктуру и экономической диверсификации. Такие страны, как Германия, создали государственные комиссии и многомиллиардные фонды для управления переходом в угольных регионах, таких как Рур и Лусация. В Соединенных Штатах двухпартийный закон об инвестициях в инфраструктуру и рабочих местах включает финансирование для возрождения энергетического сообщества и развертывания чистой энергии в бывших угольных районах. Проблема особенно остра в развивающихся странах, где уголь часто обеспечивает доступную, надежную электроэнергию миллионам и поддерживает государственный подход, который не является ни справедливым, ни политически жизнеспособным.

Уголь в развивающихся странах: энергетическая безопасность против климатических целей

В таких странах, как Индия, Индонезия и Вьетнам, уголь остается основой производства электроэнергии из-за его низкой стоимости, внутренней доступности и существующей инфраструктуры. Перед этими странами стоит сложная задача удовлетворения быстро растущего спроса на электроэнергию при переходе на более чистые источники. Финансирование новых угольных электростанций иссякает, но существующие электростанции продолжают работать. Международное финансирование климата и передача технологий имеют решающее значение для того, чтобы помочь этим странам перейти от угля к возобновляемым системам. Дискуссия по поводу угля в развивающихся странах носит интенсивный политический характер, часто выдвигаемый в качестве вопроса энергетического суверенитета и права на развитие.

Технологические инновации: можно ли очистить уголь?

Долгосрочный вопрос заключается в том, могут ли технологические исправления сделать уголь совместимым с низкоуглеродным будущим. Наиболее заметным вариантом является улавливание и хранение углерода (CCS), который включает в себя улавливание CO2 из выхлопных газов электростанции и хранение его под землей в геологических формациях. В то время как CCS был продемонстрирован в масштабе в нескольких объектах, таких как завод по производству граничных плотин в Канаде и проект Петра Нова в Техасе, его широкое развертывание сталкивается со значительными барьерами. Затраты остаются высокими, обычно добавляя 50-100% к уравновешенной стоимости электроэнергии. Доступность складских площадок, долгосрочная ответственность и общественное признание являются нерешенными проблемами. Сценарий чистых нулевых выбросов Международного энергетического агентства зависит от того, играет ли роль CCS, но темпы развертывания были намного медленнее, чем необходимо. Другие технологии «чистого угля» включают в себя высокоэффективные, низкоуглеродные (HELE) сверхкритические и ультра-суперкритические установки, которые сжигают меньше угля на мегаватт-час и совместное сжигание с биомассой

Улавливание углерода: потенциал и ограничения

CCS была продвинута как технология моста, которая могла бы позволить продолжить использование угольных электростанций при сокращении выбросов. Однако послужной список смешанный. Проект Петра Нова, который захватил CO2 с угольной электростанции в Техасе для повышения нефтеотдачи, был закрыт в 2020 году из-за низких цен на нефть и технических проблем, хотя он позже возобновился после изменений в собственности. Проект Gorgon LNG в Австралии, один из крупнейших в мире проектов CCS, последовательно отставал от своих целей по впрыску. Аналитики в Carbon Brief отмечают, что CCS неоднократно не оправдал ожиданий, многие проекты отменены или уменьшены. Технология остается спорной, а некоторые экологические группы утверждают, что она отвлекает внимание и ресурсы от необходимого перехода на возобновляемые источники энергии.

Переделка угольного флота на новую эпоху

Даже когда угольные электростанции выходят на пенсию, их физические активы - земля, сетевые соединения, охлаждающая инфраструктура и квалифицированные рабочие места - могут быть ценными для проектов чистой энергии. Нарождающаяся тенденция - преобразование угольных электростанций в природный газ, который снижает выбросы CO2 примерно на 50% и обеспечивает гибкую энергию, которая дополняет возобновляемые источники энергии. Более амбициозно, некоторые объекты перепрофилируются для солнечных фотоэлектрических ферм, аккумуляторных батарей или даже ядерных небольших модульных реакторов (SMRs). Сетевое соединение и пропускная способность на существующих угольных электростанциях часто хорошо подходят для центров возобновляемой энергии. В Соединенных Штатах инициатива Министерства энергетики «Перенастройка угольных электростанций» финансирует технико-экономические исследования и пилотные проекты. В Соединенном Королевстве бывшая угольная электростанция в Drax в настоящее время является крупнейшей электростанцией биомассы в Европе, хотя проблемы устойчивости в отношении источников биомассы сохраняются. Перепрофилирование предлагает прагматичный путь, который сохраняет рабочие места и инфраструктуру, согласуясь с целями декарбонизации.

Синхронные конденсаторы и сетевые услуги

Другой вариант перепрофилирования заключается в преобразовании отставных угольных установок в синхронные конденсаторы — вращающиеся машины, которые обеспечивают инерцию и поддержку напряжения в сети без сжигания топлива. Это может помочь поддерживать стабильность сети, поскольку все больше возобновляемых источников энергии на основе инвертора выходят в Интернет. Несколько коммунальных предприятий в США, Австралии и Великобритании придерживаются этого подхода, продлевая срок полезного использования активов угольных электростанций при одновременном снижении эксплуатационных расходов и выбросов.

Интеграция сеток и меняющаяся роль мощности базисной нагрузки

Традиционным аргументом в пользу угля была его способность обеспечивать мощность базовой нагрузки — непрерывное, надежное электричество круглосуточно. Однако современное управление сетями развивается в направлении системы, где гибкость, а не мощность базовой нагрузки, является ключевым требованием. Солнечная и ветровая энергия являются переменными, но их выход может быть предсказан с большей точностью. В сочетании с хранением энергии (аккумуляторные батареи, гидронакачивание и формирующееся долгосрочное хранение), откликом спроса и межрегиональной передачей, возобновляемые сети могут поддерживать надежность без угля. Например, Калифорнийский независимый системный оператор (CAISO) работал с периодами более 60% проникновения возобновляемых источников энергии, сохраняя свет. Ключом является разнообразный портфель технологий, которые могут быстро наращивать и снижать. Угольные установки, которые медленно запускаются и работают лучше всего при стабильной выработке, плохо подходят для этой гибкой роли. Угольные электростанции, гидро- и хранение являются более быстрыми и чистыми вариантами. Со временем эксплуатационная негибкость угля становится обязательством, а не активом.

Региональные перспективы: дивергентное угольное будущее

Будущее угля не однородно по всему миру. В Европе и Северной Америке уголь находится в структурном спаде, многие электростанции уже вышли из эксплуатации или планируются к закрытию. Великобритания перешла от 40% угольной энергетики в 2012 году к менее 2% в 2023 году и планирует полностью прекратить уголь в 2024 году. Напротив, на Азию — особенно на Китай и Индию — приходится примерно 70% мирового потребления угля. Только Китай эксплуатирует более 1000 ГВт угольных мощностей и продолжает разрешать новые заводы, хотя темпы использования возобновляемых источников энергии снижаются, хотя темпы использования угля снижаются из-за роста возобновляемых источников энергии и экономического спада. Индия стремится достичь 500 ГВт возобновляемых мощностей к 2030 году, но ожидает, что страны Юго-Восточной Азии, такие как Индонезия и Вьетнам, расширяют угольные мощности для удовлетворения растущего спроса, хотя финансовые ограничения замедляют новые проекты. Африка, с ее огромными возобновляемыми ресурсами и ограниченной угольной инфраструктурой, имеет возможность полностью перепрыгнуть через уголь, но региональные различия означают, что глобальные выбросы угля могут медленно снижаться или снижаться, даже когда развитый мир движется вперед.

Будущий прогноз: сценарии для угля в мире с нулевым уровнем выбросов

Модели сценариев развития энергетики МЭА, Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) и других органов последовательно показывают, что ограничение глобального потепления до 1,5°C требует почти полного поэтапного отказа от неослабевающей угольной энергетики к 2040 году в странах ОЭСР и к 2050 году во всем мире. В сценарии МЭА «Нетто нулевых выбросов к 2050 году» глобальное использование угля падает примерно на 90% от уровней 2021 года к 2050 году. Для этого не может быть утверждено ни одно новое использование угля, и существующие электростанции должны быть выведены из эксплуатации на ранних стадиях или модернизированы с помощью CCS беспрецедентными темпами. Разрыв между текущими тенденциями и нулевым каналом передачи энергии остается огромным. Годовая глобальная угольная генерация достигла нового рекорда в 2022 году, обусловленная проблемами энергетической безопасности после войны Россия-Украина. Однако быстрое расширение возобновляемых источников энергии и снижение стоимости батарей предполагают, что пиковый спрос на уголь может быть достигнут в течение этого десятилетия. Все большее число аналитиков считают, что уголь находится на ранних стадиях терминального снижения, даже если темпы являются неравномерными. Ключевые неопределенности включают скорость развертывания возобновляемых источников энергии в развивающихся странах,

Важность ранних выходов на пенсию и отсутствия нового угля

Для достижения климатических целей большинству существующих угольных электростанций придется уйти в отставку задолго до истечения срока их технического существования. Это создает значительный риск для владельцев и инвесторов. Такие кампании, как «Нет нового угля» и Powering Past Coal Alliance, в который входят более 50 национальных и субнациональных правительств, направлены на прекращение новых угольных проектов и ускорение выхода на пенсию. Финансовые учреждения, которые продолжают инвестировать в уголь, сталкиваются с репутационными и переходными рисками. Сдвиг в инвестиционных настроениях ощутим, и многие крупные банки и страховщики ограничивают финансирование угля.

Оригинальное название: Navigating the End of the Coal Era

Будущее угольных электростанций в мире возобновляемой энергии — это не единая история, а сложный, регионально разнообразный рассказ о спаде, адаптации и трансформации. Императивы окружающей среды и здравоохранения ясны: неуклонное сжигание угля несовместимо со стабильным климатом и здоровыми сообществами. Экономический случай для угля резко эрозирован, возобновляемые источники энергии теперь предлагают более дешевые, чистые и все более надежные альтернативы. Политика и нормативные рамки ужесточаются, а финансовые рынки наказывают за воздействие угля. Однако переход не без трений. Наследие угля встроено в инфраструктуру, средства к существованию и политические системы, которые сопротивляются изменениям. Справедливое преобразование требует преднамеренной, сострадательной политики для поддержки пострадавших работников и сообществ. Технологические инновации, такие как CCS, могут предложить роль угля в декарбонизированном будущем, но они не являются серебряной пулей и не могут заменить управляемый поэтапный отказ. В конечном счете, траектория угля будет определяться выбором, сделанным в залах заседаний, правительственных министерствах и международных переговорах по климату. Направление безошибочно: доминирование угля угас

Для дальнейшего чтения о глобальных тенденциях и политике в области угля см. IEA Coal 2023 Report, IPCC Sixth Assessment Report on Mitigation и Powering Past Coal Alliance.