?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

За последние 10 лет солнечная энергетика стремительно перешла от “игрушек” к серьезнейшим проектам, и продолжение кривой этого взлета обещает в будущем тотальное доминирование этого типа генерации. Или нет? В попытках прогнозирования тут сломано немало копий и основных претензий две: солнце через облака и ночью не светит (т.е. переменчивость источника) и высокая энергоемкость производства солнечных батарей, энергетически не окупаемая за время работы последних. (EROEI <1)


Технически первая проблема с переменчивостью решаемая - необходимо просто построить побольше солнечных батарей и аккумулятор достаточной емкости. Однако, такой подход явно усугубляет проблему с EROEI и со стоимостью электроэнергии. Стоимость можно посмотреть в обзорах Lazard, а вот попыток просчитать EROEI для солнечной электростанции с аккумулятором я не видел.


Для оценки давайте рассчитаем электростанцию с литий-ионным аккумулятором, расположенную в городе Юма, штат Аризона, США. Почему в Аризоне? Это очень хорошее место для солнечных ЭС (одно из лучших в мире) и по нему есть много информации. Если тут EROEI окажется около 1, то это будет означать большие проблемы у солнца в качестве базового источника электроэнергии (на сегодня). Если же EROEI окажется выше, то с учетом анализа, который мы собираемся произвести, можно будет легко применить полученный расчет к любому месту в мире.


В Юме, кстати, расположена довольно крупная СЭС Agua Caliente Solar Project мощностью 250 мегаватт. Солнечные батареи этой станции выполнены по тонкопленочной технологии из полупроводника CdTe, который отличается от кремния гораздо лучшими затратами энергии на киловатт батарей, однако проигрывает по стоимости.


Литий-ионник выбран по причине явной универсальности такого решения: если гидроаккумулятор требует подходящего ландшафта, то электрохимические можно ставить фактически где угодно. На самом деле, у литий-ионных аккумуляторов в реальности есть еще пара преимуществ: возможность играть на пиковом спросе (т.к. инверторы данной системы могут практически мгновенно переключаться с зарядки на разрядку) и перспективы дешевения (за последние 10 лет цена 1 киловатт*часа литий-ионной ячейки упала с 1000 до 130 долларов).


Итак, допустим, нам нужна электростанция, выдающая 300 МВт 365 дней в году, 24 часа в день, что соответствует производству  7200 МВтч каждые сутки и 2,6 ТВт*ч э/э в год - примерно 35% от гигаваттного энергоблока АЭС. Поместим нашу СЭС “24х7” в городок Yuma, Arizona с координатами 32.69265° северной широты и 114.62769° западной долготы.


Ровно с этого места (как закончилось ТЗ и началась реализация) начинаются сложности: дело в том, что станцию можно оптимизировать по EROEI довольно здорово, например, если задаться не односуточным аккумулятором, а двухсуточным, что в свою очередь изменит оптимальный наклон батарей и т.п. и т.д. Что бы найти оптимом по настоящему, а не случайный, необходимо в этом этапе сделать нормальную инженерную проработку. К сожалению, у меня есть не так много времени, поэтому цифры EROEI получатся в итоге не самыми оптимальными, но уж что есть. Любой желающий может потом написать в комментариях и получить спредшид с почасовым моделированием, в которых я считал станцию, и улучшить результат сам.

Например, за счет дикой переразмеренности, наша станция совсем не ощущает сезонные колебания, которые достигают для широты 30 градусов примерно +-20% от среднего значения, а системно именно сезонные колебания будут определять будущее солнечной энергетики.


Кривая на графике показывает объем аккумулятора в процентах от годовой генерации, который нужен для сглаживания сезонных колебаний, если СБ сделаны "в размер". Для наших 2,6 ТВт*ч и 32 градусов северной широты нужен аккумулятор в 234 ГВт*ч - безумно много.


Начнем расчет с самого простого - “энергодохода” нашей электростанции. Как мы увидим дальше, ее электрохимический аккумулятор будет довольно большим и работать в основном с глубиной разряда меньше 50%, что обеспечивает срок жизни (для LiFePo) не хуже 10000 циклов до деградации 20% емкости.  10к циклов - это 27 с копейками лет, давайте ограничимся 25 годами до полного обновления станции, а отброшенный остаток скомпенсирует нам неучитываемую деградацию панелей и аккумуляторов.


Итак, за 25 лет станция должна по ТЗ поставить 65,7 ТВт*ч - это наш числитель в расчете EROEI. Но во сколько джоулей обойдется строительство такой станции? Давайте для начала посмотрим необходимый набор оборудования.


Для определения в самом грубом виде, сколько же нам нужно СБ и АКБ я буду пользоваться расчетом NREL Pwatts калькулятор. Он опирается на таблицу значения инсоляции солнца для нашей точки, взятую из “стандартного метеорологического года”.


"Стандратный метеорологический год" - очень мощная база данных, с замерами таких тонкостей, как солнечную прямую (желтая кривая на графике) и непрямую (синяя) засветку, позволяющий оценивать выработку моделируемой СЭС в облачные дни.


Оптимизировать мы будем соотношение между объемом солнечных батарей и аккумуляторов (чем больше солнечных батарей, тем меньше нам надо запасать энергии, чтобы пережить темные деньки, не выключаясь) а также - угол установки солнечных батарей.


Для нашей солнечной электростанции определяющими моментами будут облачные зимние дни, например 27-28 декабря в стандартном метеорологическом годе - за эти два дня КИУМ станции составит катастрофические 3,4% и полностью определяет ее переразмеренность, которая будет приводить к выработке лишней электроэнергии 95% остальных дней.


В принципе, здесь правильнее было бы взять и поменять ТЗ на более оптимальное - например, “300 мегаватт 90% времени года”, тогда станция могла бы быть в несколько раз меньше, однако этот вариант мы посчитаем в следующий раз, а пока - хардкор.


Итак, угол установки солнечных панелей нужно оптимизировать не на максимальную энергопроизводительность в течении года, а на максимальную производительность в течении пары самых плохих периодов - получается 41 градус, а не самые оптимальные 32 (разница, впрочем, всего в 5% по годовой выработке).


Соотношение объема аккумулятора и солнечных батарей высчитывается чуть сложнее - как оптимум по энергии. С учетом того, что 1 электрический киловатт солнечной электростанции стоит ~14 ГДж (исследование 2016 года), а один электрический киловатт*час литий-ионных аккумуляторов - около 1,6 ГДж (исследование 2012 года).

Отсюда правило оптимизации - увеличиваем батарейку пока не достигаем ситуации, когда увеличение на 8,75 квтч уже не приводит к падению мощности солнечных панелей хотя бы на 1 киловатт.


Интересный график из статьи по энергетической стоимости аккумуляторов. В частности наиболее "энергодешевыми" оказываются гидроаккумулятор (PHS) и сжатый воздух (CAES) - по последнему, впроем все очень не просто, т.к. там используется сжигание природного газа для восстановления энергии. На правой панели показана "энергетическая стоимость" 4-12 часового всемирного хранилища.


Расчет по почасовой выдаче Pwatts дал мне такие минимальные величины - 2.25 гигаватт СБ и 20 ГВт*ч АКБ. При этом станция будет выдавать 300 мегаватт все 8760 часов года, а заряд АКБ только единожды упадет до 3,5% от полного, а в основном будет колебаться между 50 и 100%. КИУМ генерирующей части плох - около 0,08 и значимым его улучшением был бы прием сетью дневных пиков хотя бы на уровне 2 гигаватт, тогда общий КИУМ получился бы около 20%.


Еще лучше было бы ограничить работу станции 330 самыми солнечными сутками года - тогда размер СБ части можно было бы уменьшить до 1,6 гигаватта, а АКБ - до 8 ГВтч. Да, у переменчивых ВИЭ есть проблемы последних процентов в энергосистеме - разница между 80% долей и 100% колосальна.


Ну и EROEI. На 2.25 ГВт солнца и 20 ГВтч лития нам потребуется 59,5 петаджоулей (14*10^9 Дж * 2.25*10^6 квт + 1.4*10^9 Дж * 15*10^6 квтч ) или 15,8 ТВт*ч, а EROEI оказывается равен 4. Результат неоднозначный - с одной стороны его легко повысить в несколько раз путем приема пиков солнечной генерации и уменьшением времени работы станции по году хотя бы до 90%, с другой стороны - это Аризона, одна из лучших точек на планете для солнечных электростанций.


Ну и главное, такой проект пока нереализуем с финансовой точки зрения. Даже оптимизированные 1,6 ГВт + 8 ГВТч обойдутся не меньше, чем в 4 миллиардов долларов, что даст себестоимость электроэнергии с этого объекта в 140 долларов за МВт*ч - слишком дорого.  Появляющиеся в реальности “Solar&Storage” стараются ограничится батареей гораздо меньшего размера, обеспечивающие в основном прохождение вечернего пика + замену пикеров, т.е. газотурбинных электростанций, быстро запускаемых в случае появления незапланированных пиков потребления: понятно, что стоимость электроэнергии от пикеров весьма велика и на этом можно заработать.


Подводя итог, хочется отметить, что проведенный расчет показывает, что как минимум физика не запрещает распространение солнечно-накопительных электростанций, как минимум пока в местах с хорошей инсоляцией. Впрочем, таких мест на планете достаточно много, поэтому в ближайшие 10 лет, по видимому, такие электростанции будут массово строится.


P.S. Этот весьма небольшой по количеству символов текст потребовал аж 5 рабочих дней на поиск информации и расчеты. Поэтому хотелось бы небольшой опросик, чего больше хотелось бы видеть в блоге:

Что хотелось бы чаще читать

Новости ядерной/научной тематики с комментариями (самое простое, можно постить довольно часто)
60(26.2%)
Посты в стиле “как это работает” - типа как по LIGO или по ITER
74(32.3%)
Аналитика, типа того, что приведено в этом посте
95(41.5%)

Comments

( 231 comments — Leave a comment )
Page 1 of 4
<<[1] [2] [3] [4] >>
1greywind
Aug. 26th, 2018 11:28 am (UTC)
По опросу: микс из новостей и "как это работает" где-то 2:1
molchun22ru
Aug. 26th, 2018 11:31 am (UTC)
я даже не знаю. всё интересно.
thorgeir
Aug. 27th, 2018 03:36 am (UTC)
поддержу
(no subject) - alexartukov - Aug. 27th, 2018 11:07 am (UTC) - Expand
budidich
Aug. 26th, 2018 11:33 am (UTC)
На самом деле, да, все интересно.
greymage
Aug. 26th, 2018 11:50 am (UTC)
На самом деле все ваши статьи интересны, так или иначе.

Вот этой аналитики по солнечным станциям, как понимаю, практически не попадается в прессе.
tnenergy
Aug. 26th, 2018 12:10 pm (UTC)
Я написание этой статьи начал с сколько-то часового поиска литераторы по EROEI Solar & storage. Есть обрывки, но не хотя бы такая простая но цельная модель, как в посте. И понятно почему - EROEI акб посчитать - очень гемморойно.
(no subject) - greymage - Aug. 26th, 2018 12:12 pm (UTC) - Expand
(no subject) - artem3kg09 - Oct. 3rd, 2018 09:11 am (UTC) - Expand
Alexander Shchagin
Aug. 26th, 2018 11:51 am (UTC)
Всего и побольше! 😀 Каждый раз с нетерпением жду следующую статью. Спасибо!
tim_o_fay
Aug. 26th, 2018 03:59 pm (UTC)
Присоединяюсь!
trump_donald
Aug. 26th, 2018 11:52 am (UTC)
Последняя суетливая поездка Меркель в Закавказье говорит о том, что Меркель осознала "зеленый тупик" в который Германия последовательно заходила с 2008 года.

Скоро всё кончится и Германия радостно возобновит строительство АЭС а все эти ветряки и СЭС - выкинут на помойку.
tnenergy
Aug. 26th, 2018 12:08 pm (UTC)
>говорит о том,

Мне кажется, это голоса у вас в голове говорят. Никаких признаков отказа от Energewende нет, только коррекции.
(no subject) - trump_donald - Aug. 26th, 2018 12:14 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Aug. 26th, 2018 12:36 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bad_cmpany - Aug. 26th, 2018 02:20 pm (UTC) - Expand
(no subject) - trump_donald - Aug. 26th, 2018 03:15 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bad_cmpany - Aug. 26th, 2018 03:38 pm (UTC) - Expand
(no subject) - trump_donald - Aug. 26th, 2018 03:44 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bad_cmpany - Aug. 26th, 2018 04:08 pm (UTC) - Expand
(no subject) - trump_donald - Aug. 26th, 2018 04:17 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bad_cmpany - Aug. 26th, 2018 04:59 pm (UTC) - Expand
(no subject) - trump_donald - Aug. 26th, 2018 05:28 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bad_cmpany - Aug. 26th, 2018 05:36 pm (UTC) - Expand
(no subject) - trump_donald - Aug. 26th, 2018 06:18 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bad_cmpany - Aug. 26th, 2018 06:33 pm (UTC) - Expand
(no subject) - trump_donald - Aug. 26th, 2018 08:11 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bad_cmpany - Aug. 26th, 2018 09:40 pm (UTC) - Expand
(no subject) - trump_donald - Aug. 27th, 2018 05:14 am (UTC) - Expand
(no subject) - trump_donald - Aug. 26th, 2018 08:15 pm (UTC) - Expand
(no subject) - bad_cmpany - Aug. 26th, 2018 09:43 pm (UTC) - Expand
(no subject) - egh0st - Aug. 28th, 2018 02:23 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Aug. 27th, 2018 05:55 am (UTC) - Expand
(no subject) - trump_donald - Aug. 27th, 2018 06:08 am (UTC) - Expand
(no subject) - b_my - Aug. 28th, 2018 05:39 pm (UTC) - Expand
(no subject) - trump_donald - Aug. 28th, 2018 06:12 pm (UTC) - Expand
(no subject) - black_semargl - Aug. 30th, 2018 08:02 pm (UTC) - Expand
(no subject) - b_my - Aug. 31st, 2018 11:14 am (UTC) - Expand
mega_lodon
Aug. 26th, 2018 11:59 am (UTC)
все интересно
freedom_of_sea
Aug. 26th, 2018 12:32 pm (UTC)
подземная ГАЭС
а что если построить водохранилище на поверхности, а сбрасывать воду в подземные пустоты / выработки / горизонты на глубине метров 200 ?
darkdanchik
Aug. 26th, 2018 12:51 pm (UTC)
Re: подземная ГАЭС
Пустота будет:
а. самонаполняться грунтовыми водами
б. обрушаться при больших объемах откачивания/закачивания.
Re: подземная ГАЭС - tnenergy - Aug. 26th, 2018 12:53 pm (UTC) - Expand
Re: подземная ГАЭС - freedom_of_sea - Aug. 26th, 2018 08:03 pm (UTC) - Expand
подземный ядерный взрыв - thorgeir - Aug. 27th, 2018 03:41 am (UTC) - Expand
Re: подземная ГАЭС - john_jack - Aug. 26th, 2018 01:27 pm (UTC) - Expand
Re: подземная ГАЭС - trump_donald - Aug. 26th, 2018 03:45 pm (UTC) - Expand
Re: подземная ГАЭС - Ilya Kiselev - Aug. 27th, 2018 07:47 am (UTC) - Expand
Re: подземная ГАЭС - freedom_of_sea - Aug. 27th, 2018 08:14 am (UTC) - Expand
Re: подземная ГАЭС - masuk0 - Aug. 29th, 2018 05:09 am (UTC) - Expand
Re: подземная ГАЭС - freedom_of_sea - Aug. 29th, 2018 06:58 am (UTC) - Expand
ko4evnik_v
Aug. 26th, 2018 12:37 pm (UTC)
Текст прочитал с интересом.
Очень рекомендую выводы писать в самом начале, обоснование уже потом.
zilm
Aug. 26th, 2018 12:48 pm (UTC)
Собирался уже писать, нафиг это читать, заведомо бессмысленная композиция. но приофигел от положительного EROEI даже в такой глупой системе.

PS: Читать интересно всё.
Вот, например, что скажете? https://www.vesti.ru/doc.html?id=3052784&cid=2161
tnenergy
Aug. 26th, 2018 01:26 pm (UTC)
>Вот, например, что скажете? https://www.vesti.ru/doc.html?id=3052784&cid=2161

Оригинальная статья сцихабом не выкачана еще, поэтому посмотреть не могу, а по переводу не очень понятно:
1) Активные системы охлаждения для газовых реакторов как раз опасный кейс - а что будет, если у нас разорвет первый контур? Тогда активная система, рассчитанная на 100 бар гелия - мертвому припарка. Тут как раз главный инженерный компромисс - ВТГР должен быть высокотемпературным и с малой объемной плотностью - тогда легко отвести остаточное тепло полностью пассивно. Претензия не понятна
2) С "улавливающей радиацию оболочкой" моя догадка, что речь идет не о стандартном контейнменте (на HTR-PM он есть), а второй оболочке вокруг первого контура ("страховочный корпус"), который позволяет удержать относительно большое давление в контуре, и не сбрасывать тепло только пассивно.
Тут я уверен, что это некое компромиссное решение - в каких-то случаях лучше так, в каких-то как у китайцев. Дополнительный барьер распространения - это конечно всегда хорошо, впрочем.

В общем опасения имеют под собой почву, но не слишком сильные, имхо.

(no subject) - zilm - Aug. 26th, 2018 01:31 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Aug. 26th, 2018 02:06 pm (UTC) - Expand
(no subject) - vikshevchenko - Aug. 26th, 2018 02:13 pm (UTC) - Expand
(no subject) - zilm - Aug. 26th, 2018 02:16 pm (UTC) - Expand
(no subject) - vikshevchenko - Aug. 26th, 2018 02:28 pm (UTC) - Expand
darkdanchik
Aug. 26th, 2018 12:50 pm (UTC)
В контексте EROI еще интересно было бы узнать как на нее влиять вторичная переработка панелей и аккумуляторов. С одной стороны, все материалы уже на месте и не требуется их добыча. С другой, возможно, добыча как раз не самая энергозатратная операция.
tnenergy
Aug. 26th, 2018 01:03 pm (UTC)
Я вообще крайне не люблю EROEI, и эти расчет - ответ на некую критику.

А почему не люблю - потому что при некоторых размышлениях сложно вычленить "затратную" сторону: ведь без наличия всей остальной цивилизации, потребляющей энергию не возможно строить электростанции. Вопрос именно не в потребностях, а возможностях - технически электростанция состоит из миллионов технологических операций, которые кто-то сделал, а еще раньше придумал и построил соответствующие заводы, а до этого заводы-предшественники и т.п. - короче процессы обширны и тянуться очень далеко во времени.

Отсюда затратная часть EROEI произвольна - как проведешь границу, так и получится. Переработка тут - отличный пример. На самом деле, не думаю, что она сравнима с производством по энергозатратам, но точных данных у меня нет.
(no subject) - solozhenitsyn - Aug. 26th, 2018 03:26 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Konjkov Vladimir - Aug. 27th, 2018 05:20 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Aug. 27th, 2018 05:58 am (UTC) - Expand
(no subject) - Konjkov Vladimir - Aug. 27th, 2018 06:31 am (UTC) - Expand
(no subject) - vikshevchenko - Aug. 27th, 2018 10:16 am (UTC) - Expand
(no subject) - Konjkov Vladimir - Aug. 27th, 2018 12:26 pm (UTC) - Expand
(no subject) - black_semargl - Aug. 27th, 2018 08:50 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Master jkl - Aug. 30th, 2018 08:39 am (UTC) - Expand
maedros78
Aug. 26th, 2018 12:51 pm (UTC)

Всего и побольше. Дайте две

Бамбармия Кергуду
Aug. 26th, 2018 12:55 pm (UTC)
>заряд АКБ только единожды упадет до 3,5% от полного
>20 ГВт*ч АКБ

Это с учетом деградации до 20% или на стоке?

>EROEI оказывается равен 4

В расчете не фигурируют капитальные расходы на содержание всего этого хозяйства.
tnenergy
Aug. 26th, 2018 01:19 pm (UTC)
>Это с учетом деградации до 20% или на стоке?

Это без учета деградации. Я исходил из такой логики - в реальности батарейка будет достраиваться, что бы емкость оставалась постоянной, и в целом объект прослужит гораздо дольше 25 лет, т.е. выдаст больше 67,5 ТВтч. А эта достройка и будет компенсирована из наработки за пределами 25 лет.

Опять же повторюсь - модель грубая, т.к. в реальности никто такого монстра строить не будет. При 330 рабочих днях в году и не базовом режиме генерации тот же "энергодоход" обеспечить в 3 раза меньшими капвложениями.

"Капитальные расходы на содержание" - это нонсенс, если честно. Капитальные расходы на строительство учтены в исследованиях, откуда взяты цифры.
(no subject) - kirill_finarti - Aug. 26th, 2018 09:55 pm (UTC) - Expand
alexbreeze
Aug. 26th, 2018 12:56 pm (UTC)
читать интересно на все три темы опроса.
Не совсем понял откуда взято количество циклов разряда аж 10 000? по факту на смартфонах - 1500-2000 и привет. На тяговых батареях 3-5 тысяч в зависимости от эксплуатации.
И почему то не указаны затраты на обслуживание панелей без которого их КПД падает причем сильно?
Еще интересный вопрос как комутировать такие гигантские связки батарей? -везде одинаковый ток заряда/разряда?
tnenergy
Aug. 26th, 2018 01:13 pm (UTC)
>Не совсем понял откуда взято количество циклов разряда аж 10 000? по факту на смартфонах - 1500-2000 и привет. На тяговых батареях 3-5 тысяч в зависимости от эксплуатации.

Взято такое количество из исследований по циклированию LiFePo. Они а) более жизнестойкие, чем NMC или NC ячейки, но вдвое хуже по весу на киловатт*час, поэтому в транспорт их ставят только от большой бедности и б) у нас циклирование не 0-100-0%, а в основном что-то типа 70-100%, что очень сильно (кратно) увеличивает жизнестойкость литий-ионников. Есть исследование, где циклирование 13000 циклов LiFePo 100-90-100% вообще никак не сказалось на батарейке.

>И почему то не указаны затраты на обслуживание панелей без которого их КПД падает причем сильно?

Не указаны, да, но в деньгах они довольно низки (порядка 20 баксов на 1 мегаватт СБ в год) - вряд ли сильно велики в энергетическом плане (меньше 0,1 МВт*ч скорее всего, т.е. 0,225 ГВтч в год на станцию - копейки). Плюс я на это все заложил консервативный срок службы (25 лет, против 30, который, например, IEA в своей методике расчета считает для СЭС).

>Еще интересный вопрос как комутировать такие гигантские связки батарей? -везде одинаковый ток заряда/разряда?

С помощью BMS, которая обслуживает один шкаф, на 2-3 мегаватт*часа. См австралийскую батарейку от Tesla - она хоть и 140 МВтч всего, но дальше масштабировать уже не так сложно, были бы деньги.
(no subject) - nivanych - Aug. 27th, 2018 08:48 am (UTC) - Expand
(no subject) - b_my - Aug. 31st, 2018 11:15 am (UTC) - Expand
(no subject) - nivanych - Aug. 31st, 2018 11:20 am (UTC) - Expand
(no subject) - b_my - Sep. 1st, 2018 04:28 pm (UTC) - Expand
(no subject) - nivanych - Sep. 1st, 2018 04:32 pm (UTC) - Expand
Виктор Пряничников
Aug. 26th, 2018 01:29 pm (UTC)
И того, и другого, и третьего. "И можно без хлеба" (с)
Page 1 of 4
<<[1] [2] [3] [4] >>
( 231 comments — Leave a comment )

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

November 2018
S M T W T F S
    123
45678910
11121314151617
18192021222324
252627282930 
Powered by LiveJournal.com