Table of Contents

2024 Саммит по возобновляемым источникам энергии: наметить путь к устойчивому будущему

На саммите по возобновляемым источникам энергии 2024 года, состоявшемся в сентябре этого года в Берлине, было созвано более 2500 инженеров, политиков и бизнес-лидеров из 60 стран. На фоне ускорения климатических целей и роста спроса на энергию конференция дала четкое сообщение: следующее десятилетие развертывания возобновляемых источников энергии должно быть быстрее, умнее и более интегрированным. Сессии, посвященные прорывам в солнечной фотоэлектрике, конструкции ветряных турбин, химии хранения энергии, устойчивости к энергосистемам и политическим структурам, необходимым для масштабирования этих технологий во всем мире. Саммит также ознаменовал запуск нового трансграничного исследовательского консорциума, направленного на стандартизацию интерфейсов батарей следующего поколения.

В этой статье рассматриваются ключевые темы, инновации и стратегические направления, которые возникли на главной стадии саммита, сессии прорыва и круглые столы по созданию сетей. В ней используются презентации ведущих институтов, включая Институт солнечных энергетических систем Фраунгофера, Национальную лабораторию возобновляемых источников энергии (NREL) и Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA), а также вклад пионеров частного сектора.

Солнечная энергия переосмыслена: за пределами кремния

Солнечная энергия остается самым быстрорастущим возобновляемым источником во всем мире, но солнечный трек саммита сосредоточен на выходе за пределы обычных кремниевых элементов. Заголовок инновации пришел от исследователей, демонстрирующих большие площади , которые достигли сертифицированной эффективности 33,7% в стандартных условиях тестирования - резкий скачок от ~22%, типичных для основных панелей. Перовскиты с их настраиваемым разрывом в полосе и низкотемпературным производством обещают сократить уравновешенную стоимость электроэнергии (LCOE) для солнечной энергии в коммунальном масштабе до 30% в течение пяти лет, согласно последней технологической дорожной карте NREL.

Ускорение коммерциализации фотоэлектрической продукции Perovskite

Несколько компаний представили прогресс в производстве гибких перовскитных модулей, разработка, которая может разблокировать встроенные в здание фотоэлектрические элементы (BIPV) для вертикальных поверхностей и изогнутых крыш. На пилотном заводе недалеко от Мюнхена были продемонстрированы солнечные пленки, похожие на кожу, которые весят менее 100 г / м2 и могут быть ламинированы на существующие окна. Однако долговечность остается ключевой проблемой: методы инкапсуляции для защиты перовскитов от влаги и теплового цикла [FLT: 1] ] были повторяющейся темой. Совместное предприятие Оксфордской фотоэлектрической компании и немецкой химической фирмы объявило о тестовой линии производства модулей с прогнозируемым 25-летним сроком службы, по сравнению с типичными 5-10 годами предыдущих поколений.

Двухпользовательская солнечная: агривольтаика и плавающие лучи

На встречах на высшем уровне также уделялось значительное внимание развертыванию солнечных систем двойного назначения. Агривольтаические системы, в которых сельскохозяйственные культуры выращиваются под повышенными панелями, показали увеличение урожайности для некоторых тенеустойчивых растений (например, салата, помидоров) до 20% при производстве электроэнергии. Ведущие из Университета Хоэнхайма поделились данными трехлетнего испытания, интегрирующего пастбища с двуличными вертикальными панелями. Между тем, плавучие фотоэлектрические (FPV) проекты на водохранилищах и внутренних озерах были выделены как быстро созревающий рынок. Установка FPV на угольной шахте озера в Польше 100 МВт была представлена в качестве плана для перепрофилирования деградированных земель и водных объектов при одновременном снижении потерь испарения.

Энергия ветра: большие клинки, более умные турбины и оффшорное расширение

Развитие ветроэнергетики в настоящее время сосредоточено на двух параллельных путях: оптимизация наземных турбин для участков с более низкой скоростью ветра и масштабирование морских турбин до беспрецедентных размеров. На саммите производители турбин выявили машины следующего поколения с диаметрами ротора, превышающими 170 метров на суше и 260 метров на море. Ключевые опоры включают углеродно-волоконные армированные лопасти, которые уменьшают вес, позволяя более длинные пролеты, и цифровые двойники, которые предсказывают потребности в обслуживании за несколько недель.

Оффшорный ветер: инновации в фундаментах и плавучих платформах

В оффшорном сегменте были продемонстрированы прорывные конструкции фундамента, адаптированные к более глубоким водам. В то время как донные монопилы все еще доминируют на глубинах менее 40 м, плавучие платформы быстро переходят от демонстрационных к коммерческим масштабам. Норвежский консорциум представил конструкцию платформы с натяжной ногой со стальным корпусом, который уменьшает массу стали на 40% по сравнению с обычными полупогружными материалами. Эта конструкция может разблокировать потенциал ветровых ресурсов в Средиземноморье, у западного побережья США и в некоторых частях Азии, где континентальные шельфы резко падают. Уровни стоимости плавающего ветра в настоящее время прогнозируются ниже 80 евро / МВтч к 2028 году , по сравнению с более чем 180 евро / МВтч в 2020 году, согласно анализу затрат IRENA.

Маленький ветер и распределенные турбины

В то время как крупные турбины доминируют в заголовках, саммит также подчеркнул инновации в малом и общинном масштабе ветра. Вертикально-осевые турбины с спиральными лопастями - более тихие и более удобные для птиц - были продемонстрированы для использования на крышах городов. Один датский стартап продемонстрировал вертикальную турбину мощностью 5 кВт, которая начинает генерировать со скоростью ветра всего 2 м / с и включает в себя интегрированный инвертор батареи для автономных и резервных приложений. Эти системы, хотя и скромные по производительности, могут заполнить критические пробелы в распределенной устойчивости, особенно в развивающихся регионах с ограниченным доступом к сети.

Энергосбережение: Великий Помощник

Поскольку переменные возобновляемые источники энергии приближаются к 50-70% генерации в нескольких сетях, хранение энергии стало основой надежной чистой энергии. Саммит посвятил целый день технологиям хранения, с четким акцентом на переход от литий-ионных к более безопасным, дешевым и более длительным решениям.

Твердотельные батареи: игровой чейнджер для сетей и транспорта

Несколько исследовательских групп представили твердотельные литий-металлические батареи с плотностью энергии, приближающейся к 500 Втч / кг на уровне ячеек - почти вдвое больше, чем у нынешних литий-ионных батарей. Что более важно для стационарного хранения, твердые электролиты снижают риск пожара и позволяют работать в более широком температурном диапазоне без теплового бегства. Японская компания объявила о пилотной установке на 10 МВтч с использованием сульфидных твердых электролитов [[FLT: 1]], которая будет подключена к солнечной ферме на Хоккайдо к середине 2025 года. Основная оставшаяся проблема - масштабирование производства керамических электролитов при сохранении интерфейсов без дефектов; несколько лабораторий сообщили о прогрессе в обработке на основе решений, которая могла бы обеспечить выход в гигафабрике.

Долгосрочное хранение: летающие батареи, тепловой и сжатый воздух

Для сезонного и многодневного хранения саммит выделил батареи с потоком железа, используя обильные нетоксичные материалы. Один американский стартап представил альтернативу ванадия мощностью 100 кВт / 1 МВтч на основе химии железа и хрома — конкурентоспособную с гидронакачиваемой системой в модульном масштабе. Термальное хранение энергии также получило возобновленный интерес: немецкий консорциум продемонстрировал блок хранения на основе песка, где сопротивление нагрева поднимает песок до 700°C, затем тепло восстанавливается с помощью паровой турбины для выработки электроэнергии по требованию. Система предлагает плотность хранения 200 кВтч / м3 при капитальной стоимости примерно 20 евро за кВтч тепловой, идеально подходит для промышленного процесса теплоснабжения или пика энергосистемы. Сжатое хранение энергии воздуха (CAES) с изотермическим расширением был еще одним фокусом; пилот Великобритании достиг эффективности в оба конца 72%, по сравнению с типичными 50-60% для обычных CAES.

Интеграция сеток и умные системы

Развертывание высоких долей возобновляемых источников энергии без ущерба для стабильности сети требует передовых мер контроля, цифровизации и реформы дизайна рынка. Сессии саммита по сетям рассмотрели эти проблемы как с технической, так и с нормативной точки зрения.

Инверторные ресурсы и технология Grid-Forming

Синхронные генераторы смещаются инверторными ресурсами (IBR), такими как солнечная, ветровая и аккумуляторная батареи. Этот сдвиг требует , формирующих сеть инверторов , которые могут воспроизводить инерцию и поддержку напряжения, традиционно обеспечиваемую вращающимися турбинами. Исследователи из Института Фраунгофера представили многовендорный контроллер, формирующий сетку, который прошел серию испытаний на платформе «черный запуск» и «переход по неисправности». Контроллер автоматически различает сеточные неисправности и нормальные отклонения напряжения, что позволяет стабильную работу даже в слабых сетях. Несколько операторов сетей взяли на себя обязательство требовать возможности формирования сетки для всех новых инверторов коммунального масштаба к 2027 году.

Цифровые близнецы и ИИ для сетевых операций

Цифровые двойные платформы — полнофизические симуляции, обновленные в режиме реального времени, — были продемонстрированы в качестве инструментов для оптимизации отправки и прогнозирования заторов. Консорциум из трех операторов немецких систем передачи продемонстрировал общеевропейский цифровой двойник, который объединяет прогнозы погоды, рыночные ставки и данные о состоянии активов на 15 минут вперед. Ранние результаты указывают на сокращение сворачивания на 5-8% и меньшую потребность в балансировке запасов. Модели машинного обучения, обученные данным смарт-метра, также показывают перспективы для прогнозирования распределенной генерации и гибкого спроса, что позволяет активно управлять сетью без массовых обновлений оборудования.

Новые и пограничные технологии

Помимо солнечной, ветровой и хранилищ, на саммите были проведены сессии по приливному, геотермальному и зеленому водороду — технологиям, которые, хотя и ранее были на кривой зрелости, будут иметь важное значение для глубокой декарбонизации промышленности и тяжелого транспорта.

Приливная и волновая энергия: от демонстрации к масштабу массива

Приливные турбины потока, которые работают так же, как подводные ветровые турбины, приближаются к коммерческой жизнеспособности на участках с сильными течениями. Шотландская компания представила результаты массива мощностью 2 МВт у Оркнейских островов, достигнув коэффициента мощности 48% - выше, чем морской ветер в том же регионе. Между тем, преобразователи энергии волн традиционно отставали из-за проблем с живучестью в штормах. Новая конструкция точечного поглотителя с погруженным поршнем, заключенным в гибкую мембрану , не показала повреждений после смоделированного 100-летнего шторма на испытательном объекте в Ирландии. Алгоритм управления защелкиванием устройства увеличивает захват энергии на 30% в низко-умеренных морских государствах.

Усовершенствованные геотермальные системы (EGS)

Геотермальная энергия ограничена вулканическими или тектонически активными регионами, если не могут быть созданы инженерные резервуары. Исследователи из участка FORGE Министерства энергетики США продемонстрировали новую технику стимуляции с использованием теплового шока, а не гидравлического разрыва, которая снижает индуцированную сейсмичность и потребление воды. При впрыскивании холодной воды в горячую сухую породу с контролируемой скоростью микротрещины распространяются без больших сейсмических событий. Пилот мощностью 5 МВт в Юте, как ожидается, достигнет уравновешенной стоимости в 60 долларов / МВтч - конкурентоспособной с хранением солнечной энергии во многих регионах. Саммит пришел к выводу, что EGS может обеспечить базовую нагрузку, диспетчерскую возобновляемую энергию на большей части континентальной коры, если затраты на бурение продолжат падать.

Зеленый водород и электронное топливо

Зеленый водород, полученный путем электролиза с использованием возобновляемой электроэнергии, присутствовал на протяжении всего саммита в качестве сквозной темы. Основное внимание было уделено совершенствованию электролизера до системной интеграции и создания спроса. Электролизер без металла платиновой группы на основе протонно-обменных мембран с катализаторами кобальта-марганца достиг 1,9 В при 2 А/см2, приблизившись к производительности систем на основе иридия при доле стоимости материала. Несколько ораторов подчеркнули, что водород сначала декарбонизирует производство аммиака, сталелитейное производство и дальнемагистральное судоходство, а не будет служить универсальным энергоносителем для производства электроэнергии. Результаты аукциона Европейского банка водорода были приведены в качестве доказательства того, что стоимость производства 4 евро/кг достижима до 2030 года, особенно в регионах с недорогими солнечными и ветровыми электростанциями.

Политика, инвестиции и глобальное сотрудничество

Пленарные панели саммита объединили министров, инвесторов и гражданское общество для обсуждения финансовой и нормативной среды, необходимой для масштабирования новых решений от пилотного до гигаваттного масштаба.

Снижение рисков инвестиций в развивающиеся экономики

Основным препятствием для развертывания возобновляемых источников энергии в развивающихся странах является стоимость капитала, часто на 8-15% выше, чем в развитых странах. Глобальный энергетический альянс для людей и планеты объявил о создании смешанного финансового механизма, который объединяет кредиты многосторонних банков развития с грантами из фондов по климату для снижения средневзвешенной стоимости капитала для проектов в области солнечной и ветровой энергетики в странах Африки к югу от Сахары. Ранние проекты в Кении и Сенегале достигли тарифов ниже 0,04 доллара США / кВт-ч, доказывая, что более низкая стоимость капитала может разблокировать огромные ресурсы. Альянс стремится мобилизовать 10 миллиардов долларов к 2028 году.

Устойчивость цепи поставок и критические материалы

Зависимость от горстки стран в отношении важнейших минералов — лития, кобальта, редкоземельных элементов — остается уязвимостью. На саммите была представлена сессия по городской добыче и переработке аккумуляторов в качестве стратегии по сокращению первичного спроса. Швейцарская компания представила гидрометаллургический процесс, способный восстанавливать 96% лития, 99% кобальта и 98% никеля из литий-ионных батарей с истекшим сроком службы по цене, которая уже конкурентоспособна с материалом для производства, когда включены нормативные кредиты. На редкоземельном фронте исследователи сообщили о прогрессе в использовании генераторов без магнитов для ветряных турбин — конструкция, основанная на переключенных двигателях нежелания, которые могут полностью устранить необходимость в неодиме.

Стандартизация и совместимость

По мере того, как возобновляемые активы становятся более распределенными, совместимость между устройствами от разных производителей имеет решающее значение для агрегирования и сетевых услуг. На саммите был запущен Протокол взаимодействия с открытой энергией (OEIP) , нейтральный для поставщиков стандарт связи между инверторами, батареями, счетчиками и системами управления зданиями. Протокол основывается на SunSpec и IEEE 2030.5, но добавляет поддержку функций формирования сетей и одноранговой торговли энергией. Более 20 производителей подписали письма о намерении принять OEIP в поставках продуктов к 2026 году.

Тематические исследования: проекты, которые формируют будущее

На протяжении всего саммита конкретные проекты были выделены в качестве примеров комплексного масштабируемого внедрения экологически чистой энергии.

Солнечный оазис Noor Midelt в Марокко

Комбинированная солнечная установка CSP-PV в горах Атласа, комплекс Noor Midelt демонстрирует гибридную диспетчеризацию: 800 МВт фотоэлектрической энергии в сочетании с 200 МВт концентрированной солнечной энергии с использованием 12 часов хранения расплавленной соли . Вместе они обеспечивают твердую 24-часовую диспетчерскую возобновляемую энергию на LCOE ниже $0,06 / кВтч. Проект включает опреснительную установку, питаемую отработанным теплом от CSP, обеспечивающую питьевую воду для близлежащих общин. Этот комплексный подход — энергия плюс вода — был процитирован в качестве воспроизводимой модели для засушливых регионов на Ближнем Востоке и в Африке.

Энергетические соседства Германии

Несколько немецких муниципалитетов продемонстрировали энергетические системы на уровне кварталов, сочетающие солнечные батареи на крыше, аккумуляторы, тепловые насосы и зарядные устройства для электромобилей. Один проект в Баден-Вюртемберге использует локальный энергетический рынок на основе блокчейна, который позволяет жителям торговать избытком солнечной энергии между собой, автоматически улаживая транзакции через смарт-контракты. Платформа увеличила самопотребление местных возобновляемых источников энергии на 40% и сократила импорт энергосистем на 20%. Участники увидели в среднем 15% сокращение своих ежегодных счетов за электроэнергию. Концепция в настоящее время масштабируется до 50 районов по всей Европе при финансировании Horizon Europe.

Будущий прогноз: от амбициозных целей к ощутимым результатам

Саммит 2024 года завершился призывом к действию: перевести технологические прорывы и политические инновации, обсуждаемые в ускоренное развертывание на местах. Ожидается, что к 2027 году мощность солнечной фотоэлектрической энергии превысит 3 ТВт, а мощность ветра превысит 2 ТВт к 2028 году, согласно прогнозам IEA Renewables 2023. Но презентации саммита ясно дали понять, что узкое место перешло от стоимости оборудования к интеграции в сети, разрешению, цепочкам поставок и квалифицированной рабочей силе.

Для решения этих узких мест организаторы саммита объявили о создании постоянной рабочей группы — RED-инженерной коалиции, которая будет выпускать ежегодные дорожные карты для каждого технологического трека и облегчать согласование между разработчиками проектов, инвесторами и регулирующими органами. Первые результаты коалиции будут включать стандартизированную структуру для отчетности о сокращении солнечной и ветровой энергии, общий цифровой двойной интерфейс для операторов сетей и учебную программу для переподготовки работников, работающих на ископаемом топливе, для возобновляемых производственных и монтажных ролей.

По мере закрытия саммита участники покинули страну с общим чувством срочности, смягченным прагматизмом. Саммит по возобновляемым источникам энергии 2024 года продемонстрировал, что необходимые технологии либо существуют сегодня, либо близки к рынку, и что при постоянном финансировании исследований, разумном регулировании и международном сотрудничестве полностью декарбонизированная энергетическая система не только теоретически возможна, но и быстро становится экономически неизбежной. Следующая встреча в 2025 году состоится в Сингапуре с акцентом на тропические проблемы развертывания и роль Азии в масштабировании чистой энергии. Отрасль внимательно следит за имеющимися инструментами.