Солнечная энергия

Статья, на которую ссылается этот источник, возникла из обсуждения на платформе обмена знаниями Quora, поэтому она не проходила формальное рецензирование и не публиковалась в научном журнале или отчёте. Однако её широко цитировали, упоминали и перепечатывали Forbes и New York Times, а автор отмечает её как первый случай, когда было предложено решение мировых энергетических потребностей с помощью солнечной энергии и рассмотрены осуществимость, практичность и расчёты для «решения для Сахары». Автор - академический и отраслевой эксперт - подробно критиковал и защищал эту идею, а коллеги из науки и отрасли неформально её поддержали. Части предложения и подтверждающие расчёты можно считать гипотетическими, приблизительными расчётами «на салфетке» или основой для реальных сценариев решений, и они обсуждаются в обоих этих контекстах, но здесь служат наглядной оценкой.

Прежде всего, оценка основана на общем потреблении энергии и предполагает полную электрификацию всех видов её использования, включая отопление, транспорт и промышленные процессы. Возможности прямой электрификации этих сфер различны, а в некоторых случаях она непрактична или невозможна (хотя некоторые из них можно было бы обеспечить зелёным водородом, полученным электролизом на солнечной энергии). Сводная оценка, составленная ИИ, предполагает, что примерно 60-70 % мирового спроса на энергию можно реально электрифицировать с помощью современных технологий и технологий ближайшего будущего, опираясь на отраслевые данные McKinsey, IRENA и глобальные энергетические прогнозы IEA ^A,B,C, при том что практические трудности существуют. Площадь солнечных электростанций в Сахаре, необходимая для обеспечения нынешнего мирового спроса на электричество, была бы гораздо меньше.

Расчётная потребность в 1,2 % площади пустыни Сахара была скорректирована до 1,5 %, чтобы учесть недавний рост мирового спроса на энергию (примерно 19,6 ТВт по состоянию на 2023 год ^D,E).

Несколько работ смоделировали мировой потенциал солнечных фотоэлектрических систем (ФЭС) на крышах, но получили разные результаты. В одной работе ^[19] подсчитано, что вся подходящая для крышных ФЭС площадь может вырабатывать 27 ПВт·ч в год, превышая мировой спрос на электричество в 2018 году. Из-за географических и сезонных различий в солнечном свете и, следовательно, потенциале ФЭС вклад площади крыш каждого региона в этот общий потенциал неравномерен, то есть потенциал одного региона может быть значительно ниже регионального спроса, тогда как потенциал другого может превышать спрос и непропорционально пополнять мировое предложение. Авторы подсчитали, что для покрытия суммарного годового мирового спроса на электричество по всем регионам понадобится минимум 50 % мировой площади крыш.

К 2023 году мировой спрос на электричество вырос почти до 30 ПВт·ч ^F, превысив прежний мировой потенциал крышных ФЭС, указанный в [19]. Общий спрос на энергию (включая отопление, транспорт и промышленные процессы, а также электричество) тем временем составлял примерно 172 ПВт·ч ^D,E. В другой работе ^[20] отмечаются несоответствия в методологии [19] и подсчитано, что мировой потенциал крышных ФЭС может составлять около 30,5 ТВт максимально возможной установленной мощности, что соответствует более чем 267 ПВт·ч в год и намного превышает даже весь наш спрос на энергию. В третьей работе ^[21] предполагается, что к 2050 году мировой потенциал крышных ФЭС достигнет 175 ТВт·ч в год, но он может меняться в зависимости от разных текущих сценариев выбросов. Этот прогноз предполагает расширение площади крыш, чтобы общая площадь ФЭС стала значительно больше, чем сейчас указано в [19]. Учитывая эти выводы и их методологии, мы осторожно заключаем, что всего половины крыш в мире может хватить для покрытия потребностей человечества в электричестве.

В одной статье ^[28] потенциальная выработка энергии при покрытии плавучими фотоэлектрическими системами (FPV) максимум 30 % площади поверхности всех водохранилищ мира (556 111 км² в 114 555 водохранилищах) оценивается в 9 434 ТВт·ч в год. Это консервативная оценка, основанная на ограниченном покрытии поверхности FPV (30 %) из-за технических и экологических ограничений. Другая статья ^[29] также сообщает, что 25 % площади поверхности мировых водохранилищ могут производить 8 000 ТВт·ч год^-1. Согласно прогнозам МЭА ^G, это составляет как минимум четверть мирового спроса на электричество в обозримом будущем (почти треть спроса по состоянию на конец 2023 года ^F), а мощность может вырасти ещё больше по мере строительства новых водохранилищ.

Однако более свежая статья ^[30] выделяет достижения в технологии солнечных панелей, не учтённые в предыдущих исследованиях, включая системы слежения за солнцем и двусторонние солнечные панели: «Хотя трекеры могут повысить требования к плавучести и креплению системы и увеличить её общую стоимость, их заметный прирост выработки по сравнению с системами с фиксированным наклоном, развитие технологий и снижение цен, вероятно, сделают их более распространёнными в ближайшие годы». Чтобы понять, как эти новые технологии могли бы работать по всему миру, авторы «проанализировали потенциал установленной мощности и выработки энергии разных конфигураций FPV, включая установки с фиксированным наклоном под разными углами, разные способы слежения, а также разные типы панелей (односторонние и двусторонние) на 249 717 внутренних водохранилищах (как искусственных, так и природных) по всему миру общей площадью 222 623 км² -примерно в четыре раза больше тех, что рассматривались в» ^[28]. С этими обновлениями авторы находят общую мощность FPV до 22 ТВтп (пиковая мощность), которая могла бы покрыть весь мировой спрос на электричество.

Our World in Data ^[51] собирает данные из нескольких источников, включая IRENA 2024 ^H. Как сказано на веб-странице, IRENA приводит цены на солнечные фотоэлектрические модули разных технологий. Данные с IV квартала 2013 года - это среднегодовая цена технологий «тонкоплёночные a-Si/u-Si» или Global Price Index как ориентир для всех солнечных технологий, достигнувшая мировой цены 0,31 долл./Вт в 2023 году. Другие источники ^I,J,K используют в качестве основного ориентира наиболее распространённые или односторонние монокристаллические панели, цены на которые упали ещё ниже:

В январе 2024 года цена тонкоплёночных модулей a-Si/u-Si, продаваемых в Европе, упала до ~0,16 долл./Вт ^H. В апреле 2024 года мировая спотовая цена односторонних монокристаллических модулей составила 0,11 долл./Вт ^I. В ноябре 2024 года цены на доминирующие на рынке монокристаллические панели PERC и технологии следующего поколения c-Si TOPCon достигли 0,087 долл./Вт, 0,1 долл./Вт и 0,29 долл./Вт в Китае, Европе и США соответственно ^{J,K †}.

^†Экспортные цены на мировых рынках обычно выше, чем в Китае, из-за логистики, тарифов и региональных рыночных факторов, прежде всего международных коммерческих условий (FOB для китайского экспорта и DDP для США и Европы ^J).

Bloomberg ^[52] сообщает, что средняя мировая цена модулей упала до 0,096 долл./Вт. По сравнению со средней мировой ценой модулей 19,48 долл./Вт в 1984 году ^[51], за 40 лет цены на модули снизились более чем на 99 %.

Для сравнения, средняя цена модулей в США к I кварталу 2024 года упала до 0,29 долл./Вт ^I. С 1989 года это снижение на 96 % за 35 лет ^L,M. Более высокие цены в США сохраняются из-за тарифов на китайские модули и других факторов импорта ^I.

В докладе IRENA «Стоимость производства электроэнергии из возобновляемых источников 2023» говорится, что средневзвешенная мировая нормированная стоимость электроэнергии (LCOE) солнечной фотоэлектрики составляла 0,044 долл. США/кВт·ч. С 2010 по 2023 год средневзвешенная мировая LCOE CSP-станций упала на 70 %, с 0,393 долл./кВт·ч до 0,117 долл./кВт·ч. Поэтому в 2023 году LCOE солнечной фотоэлектрики для крупных электростанций составляла чуть больше трети от показателя CSP. Однако стоимость солнечной фотоэлектрики продолжает снижаться. С 2021 по 2023 год в каждом году вводилась в эксплуатацию лишь одна CSP-станция, поэтому эти годы не обязательно отражают обычную картину. Поскольку внедрение CSP замедлилось, а конкуренция с солнечной фотоэлектрикой сильна, возможно, это были передовые, очень хорошо оптимизированные проекты, призванные показать конкурентоспособность. Поэтому указанная средняя LCOE может быть ниже той, что наблюдалась бы в году с более типичным или разнообразным вводом CSP-проектов.