Недостаточно просто электрифицировать больше. Мы должны электрифицировать лучше.

Поддержите работу CleanTechnica, оформив подписку через Substack, Patreon или Stripe. Помогите нам создавать качественный оригинальный контент каждую неделю, несмотря на сложности, связанные с ИИ для извлечения контента, антисоциальными платформами, инфляцией и другими препятствиями.

Электромобили и другие электрические устройства становятся важными не только в рамках климатической стратегии, но и с точки зрения доступности, экономической конкурентоспособности, общественного здоровья, опыта потребителей, энергетической безопасности и устойчивости к нестабильным рынкам топлива.

В 5 утра электрический автобус выезжает из своего депо после ночного зарядки, готовый отвезти детей в школу, не выбрасывая дым от дизеля. Пока город просыпается, тепловые насосы уже поддерживают в домах и офисах комфортную температуру, потребляя гораздо меньше энергии, чем их аналоги с газовыми котлами. К полудню солнечная энергия заряжает транспортные средства, охлаждает склады и помогает фабрикам выполнять наиболее энергозатратные процессы. Затем, когда миллионы людей возвращаются домой и подключают свои автомобили, умные зарядные устройства тихо планируют зарядку на более позднее время, когда электроэнергия дешевле, а сеть менее загружена.

Подобные сцены начинают появляться по всему миру: электрические автобусы в Дели, электрические тепловые насосы, согревающие дома в норвежские зимы, электрические грузовики, входящие в состав китайских флотов грузоперевозок и строительства. Переход на электрификацию уже начался.

Большинство людей воспримут этот переход не как революцию в энергетической системе, а как более спокойный процесс: более комфортное жилье, снижение счетов или чище воздух. Однако в совокупности все эти повседневные изменения означают эпохальный сдвиг в мировой экономике: от экономики, основанной на сжигании ископаемого топлива, к экономике, движимой чистой электроэнергией, эффективными технологиями и гибким спросом.

Но что же такое электрификация? Как использование большего количества электроэнергии может принести пользу людям и планете? И что произойдет, когда миллионы новых электромобилей, бытовых приборов, зданий и фабрик подключатся к уже находящейся под нагрузкой энергосистеме?

Проще говоря, электрификация означает замену технологий, которые напрямую сжигают ископаемое топливо — автомобилей на бензине, дизельных автобусов, газовых котлов, промышленных печей и т. д. — альтернативами, работающими от электроэнергии. (В идеале — чистой электроэнергии, но об этом позже).

Эта трансформация выходит на первый план не только как стратегия в области климата, но и как вопрос доступности, экономической конкурентоспособности, общественного здоровья, опыта потребителей, энергетической безопасности и устойчивости к нестабильным рынкам топлива.

Однако аргументы в пользу электрификации более убедительны и интересны, чем простая замена топлива. Чтобы понять её потенциал, сначала необходимо рассмотреть, насколько продвинулась электрификация, почему электротехнологии потребляют меньше энергии и имеют более низкие затраты на эксплуатацию, а также что необходимо сделать для обеспечения того, чтобы электрификация принесла пользу обществу и окружающей среде. Здесь мы подробно рассмотрим текущее состояние электрификации и способы её ускорения правильным образом.

Каково текущее состояние электрификации в мире?

Ответ во многом зависит от того, где (и что) вы рассматриваете. В некоторых технологиях и рынках процесс электрификации развивается чрезвычайно быстро. Однако в масштабах всей глобальной экономики электричество по-прежнему обеспечивает лишь около 20% от общего потребления энергии (энергии, фактически потребляемой в домах, предприятиях, транспортных средствах и фабриках).

Автомобильный транспорт в настоящее время является наиболее ярким примером ускоряющейся электрификации. Продажи электромобилей в мире с 2020 года выросли почти на 600%, достигнув 20 миллионов единиц в прошлом году, и теперь они составляют более четверти всех новых проданных автомобилей. Развитие транспортной сферы идет быстрее, чем в строительстве и тяжелой промышленности, но большинство уже находящихся на дорогах транспортных средств по-прежнему используют ископаемое топливо.

Темпы развития также сильно различаются в разных регионах. Китай, иногда называемый «первым электространой», опередил другие страны: на сегодняшний день электроэнергия обеспечивает почти 30% от общего потребления энергии, тогда как в Соединённых Штатах этот показатель составляет примерно 22%, а в Европейском союзе — 21%.

Текущие темпы всё ещё сильно недостаточны. По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, к середине века доля электроэнергии в общем потреблении энергии должна превысить половину, чтобы сдержать повышение глобальной температуры на уровне 1,5 градуса Цельсия (2,7 градуса Фаренгейта) — предел, который, по мнению учёных, необходим для избежания наихудших последствий изменения климата. Для этого потребуется коренное изменение способов производства электроэнергии, при котором возобновляемые источники должны обеспечивать около 90% мировой энергетики. Следовательно, процессы электрификации и декарбонизации энергетического сектора должны развиваться одновременно.

Почему прогресс неравномерен?

Частичное объяснение кроется в том, насколько рассеян процесс перехода к использованию электроэнергии. Решения в сфере энергетики принимаются компаниями-поставщиками услуг, застройщиками, регулирующими органами и правительствами, в то время как электрификация конечных потребителей затрагивает миллионы домов, транспортных средств, предприятий и производственных линий.

Тем временем некоторые виды деятельности просто сложнее поддаются электрификации, чем другие. Электротехнологии уже используются в дорожном транспорте, зданиях и многих промышленных процессах, работающих при низких температурах. Во многих случаях их эксплуатация уже дешевле, чем у аналогов на основе ископаемого топлива, и они позволяют снизить общие затраты за весь срок службы, даже если первоначальная стоимость остается выше. Электромобили и автобусы, тепловые насосы, индукционные плиты, электрические водонагреватели и многие промышленные двигатели становятся всё более доступными и недорогими.

Однако для таких отраслей, как производство стали или химикатов, а также для сфер, таких как авиация и судоходство, прямая электрификация представляет собой более сложную задачу. Эта деятельность требует чрезвычайно высоких температур, использует ископаемое топливо в качестве сырья в процессе производства или нуждается в большем количестве энергии, чем могут эффективно обеспечить современные аккумуляторы. В таких случаях водород, синтетические топлива или другие альтернативы с низким углеродным следом могут оказаться более жизнеспособными вариантами, чем электрификация, в то время как для устранения оставшихся выбросов, которых невозможно легко избежать, может потребоваться улавливание углерода.

«Электрифицировать всё!» — это, возможно, привлекательный слоган, но вряд ли он будет прагматичным или даже желательным в качестве экономической или промышленной стратегии. Более разумной (хотя и менее запоминающейся) целью является прямая электрификация в тех областях, где это крайне целесообразно, при этом более редкие альтернативы следует оставить для секторов, которые сложнее поддаются электрификации.

Каковы экологические преимущества электрификации?

Электрификация является инструментом, а не конечной целью сама по себе. Автомобиль на электротяге, работающий от сети, зависимой от угля, может нанести больший вред климату, чем автомобиль на бензине. Другими словами, его преимущества зависят от способа производства электроэнергии. Однако автомобиль на электротяге, тепловой насос или промышленный процесс могут становиться всё более экологичными со временем по мере декарбонизации сети за счёт более широкого использования ветра, солнца, ядерной энергии или других источников чистой энергии. В отличие от этого двигатель или котёл на газе на протяжении всего своего срока службы остаются привязанными к сжиганию загрязняющих топлив. Следовательно, полные преимущества электрификации возникают только при расширении сфер применения электроэнергии и одновременном постепенном улучшении качества энергоснабжения.

Кроме того, одной из наиболее неочевидных особенностей электрификации является то, что потребление электроэнергии может расти при одновременном снижении общего потребления энергии.

Причина заключается в эффективности. Двигатели с внутренним сгоранием теряют до 80% энергии топлива (в основном в виде тепла), преобразуя лишь 20% в полезное движение. В то же время электродвигатели преобразуют около 80% электрической энергии в движение. Тепловые насосы действуют ещё эффективнее: вместо того чтобы генерировать тепло сжиганием топлива, они извлекают уже имеющееся тепло из воздуха или земли, обычно выдавая несколько единиц тепла на каждую потребленную единицу электричества.

Поэтому замена технологий, сжигающих топливо напрямую, на электрические аналоги — замена молекул на электроны — может снизить количество энергии, необходимое для проезда на ту же дистанцию или отопления того же дома.

Это приводит ко второму кажущемуся парадоксу: счет за электричество может увеличиться, в то время как общая сумма расходов на энергию снижается. Домохозяйство, использующее электричество, конечно же потребляет больше энергии; однако его жители больше не покупают топливо для автомобилей или систем отопления. Поскольку электромобили и тепловые насосы используют энергию гораздо более эффективно, чем двигатели внутреннего сгорания и котлы, сэкономленные на топливе средства могут полностью компенсировать дополнительное потребление электроэнергии, даже если сама электрическая энергия становится дороже. Например, в одном недавнем исследовании было оценено, что полная электрификация отопления и транспорта в типичном европейском домохозяйстве может сократить его общие расходы на энергию более чем вдвое.

Кроме сокращения выбросов и потребления энергии, какие преимущества дает электрификация?

Аргументы в пользу электрификации не могут — и не должны — основываться исключительно на сокращении выбросов (хотя можно подумать, что сохранение пригодной для жизни планеты является достаточно убедительной отправной точкой!).

Переход к новым технологиям происходит быстрее, когда они не только экологичнее, но и ощутимо лучше для людей и бизнеса. Электромобили тише, плавнее управляются, обычно дешевле в эксплуатации и более реактивны по сравнению с автомобилями на бензине, обеспечивая мгновенное ускорение с места. Тепловые насосы могут одновременно обеспечивать отопление и охлаждение. Электрические плиты улучшают качество воздуха в помещении и позволяют лучше контролировать температуру. Электрическое промышленное оборудование делает производство более точным, реактивным и эффективным. К тому же все эти технологии могут помочь снизить затраты за счёт более эффективного использования энергии.

Но более совершенная технология не обязательно является лучшим решением для всех. Первоначальные затраты, доступ к инфраструктуре и ценообразование на электроэнергию могут определять, какие домохозяйства и предприятия получат от этого выгоду. Богатый владелец дома с подъездной дорожкой может сразу купить электромобиль и установить зарядное устройство; курьер в Найроби, возможно, нуждается в доступном финансировании, системе замены аккумуляторов и надежных общественных зарядных пунктах. Хорошо изолированное здание может эффективно использовать тепловой насос; плохо изолированное может потребовать дорогостоящих модернизаций, прежде чем использование теплового насоса станет целесообразным.

Таким образом, хотя технологии создают потенциал, именно инфраструктура, финансирование и политика определяют, кто сможет его реализовать. Например, в Руанде такие меры, как налоговые льготы в сочетании с частным финансированием и сетями замены аккумуляторов, помогают водителям мото-такси перейти на электрические велосипеды. Это снижает ежедневные расходы на топливо и техническое обслуживание, улучшает качество воздуха в городе и способствует достижению цели страны — электрификации 30% двух- и трехколесных транспортных средств к 2030 году.

Может ли сеть действительно обеспечить более широкую электрификацию при росте спроса на электроэнергию?

Спрос на электроэнергию уже растет стремительно из-за увеличения потребностей в охлаждении, развития центров обработки данных, промышленного роста и более широкого доступа к надежному электроснабжению. Если добавить миллионы электромобилей, тепловых насосов и промышленных машин без планирования того, где и когда они будут потреблять электроэнергию, существующие проблемы только усугубятся.

Таким образом, электрификация — это не только проблема производства энергии. Это также проблемы сети и координации, требующие действий в трех направлениях:

Во-первых, необходимо максимально использовать уже существующую систему. Лучшие данные, более умные системы управления, хранение энергии и выборочная замена оборудования могут помочь операторам передавать больше энергии по существующим сетям и более эффективно использовать мощность, которая в противном случае оставалась бы неиспользуемой.

Во-вторых, нужно быстрее и более стратегически расширять мощность сети. Энергетическим компаниям необходима уверенность и нормативные положения, позволяющие инвестировать до появления прогнозируемого спроса. Процессы подключения, выдача разрешений и стандарты оборудования требуют реформирования для ускорения работы.

В-третьих, необходимо изменить моменты и места пиков спроса на энергию. Расположение, время работы и гибкость нового трансформаторного подстанции, центра обработки данных или завода могут существенно повлиять на необходимость сетевой инфраструктуры, на возможность подключения других объектов и на время этого процесса.

Представьте город, который планирует строительство тысяч новых жилых домов и создание крупного парка электрических автобусов. Если органы жилищного строительства, транспортные службы и коммунальные предприятия планируют свои действия отдельно (как это часто бывает), трансформаторы могут быть модернизированы дважды, подключение к депо откладывается, а жители вынуждены ждать как жилья, так и более экологичного транспорта. Если же планирование проводить совместно — вместе с местными солнечными электростанциями, аккумуляторами, двунаправленной зарядкой и системами управления — то одни и те же инвестиции смогут поддержать несколько приоритетов общества, одновременно создавая местные ресурсы для хранения энергии по мере необходимости.

Строительство экологически чистых источников производства энергии бессмысленно, если потребители не могут к ним подключиться. Создание новой сетевой инфраструктуры является расточительством, если существующие мощности остаются недоиспользуемыми. Стратегическая электрификация требует как расширения, так и гораздо более тесной координации действий в сферах энергетики, транспорта, строительства, промышленности и городского развития.

Как перейти от пассивного потребления электроэнергии к активному спросу?

Теперь представьте 6 вечера в том же все более электрифицированном городе, о котором я упоминал в начале этой статьи. Тысячи семей возвращаются домой, и все начинают готовить ужин. Автомобили подключены к зарядным устройствам. Отопление и кондиционирование продолжают работать, магазины открыты, фабрики производят продукцию, а центры обработки данных выполняют вычисления. Проблема не всегда заключается в нехватке электроэнергии во всей системе. Дело в том, что слишком большой спрос возникает в одних и тех же участках сети в один и тот же момент. Сети перегружаются, включается дорогостоящее резервное производство электроэнергии, и миллиарды тратятся на строительство инфраструктуры, необходимой всего лишь на несколько часов в год.

Однако значительная часть этого спроса является гибкой.

Автомобиль может стоять на парковке всю ночь, но для зарядки ему нужно всего несколько часов. Здания могут предварительно нагреваться или охлаждаться до периода пика спроса на электроэнергию. Водонагреватели, холодильные склады, аккумуляторы и некоторые промышленные процессы также могут работать немного раньше или позже, тем самым смещая спрос — и при этом не нарушая комфорта или производительности.

Для всего этого не требуется, чтобы люди перестраивали свой вечерний график или становились любителями торговли электроэнергией. Им просто нужно, чтобы их автомобили заряжались, дома было комфортно и счета были ниже.

Умные системы управления могут автоматически оптимизировать использование энергии. Клиент может присоединиться к программе, организованной его поставщиком энергии, которая временно регулирует работу термостата, зарядного устройства для электромобилей и/или водонагревателя в периоды особо высокого спроса на электроэнергию — как правило, без значительного снижения уровня комфорта или удобства. Клиент сохраняет полный контроль и может отменить эти изменения, получив взамен более низкий счёт или компенсацию. При правильной реализации это приводит к тройной выгоде: более низкие счета для клиента, меньшая нагрузка на электросети и сокращение дорогостоящих инвестиций.

В условиях ограниченного времени и места спрос в размере одного мегавата, который можно сместить во времени, может оказаться ценнее, чем дополнительный мегаватт поставок. Это позволяет немедленно устранить узкие места, сократить сокращение производства из возобновляемых источников (когда производство возобновляемой энергии намеренно снижается из-за отсутствия у сети мощности для её обработки или из-за недостаточного спроса на неё), а также избежать строительства инфраструктуры, которая используется всего несколько часов в год.

Технология существует. Так что же отсутствует?

Во-первых, электроэнергетическая система должна знать, какие гибкие ресурсы доступны и когда они могут отреагировать. Оператор сети не может полагаться на тысячи отдельных зарядных устройств для электромобилей, аккумуляторов или коммерческих холодильников, если не знает, где они находятся, с какой скоростью могут реагировать и насколько могут снизить нагрузку. Этим многочисленным более мелким ресурсам также необходим простой путь на рынок (часто путем объединения в группы с помощью «агрегатора»). Кроме того, их необходимо вознаграждать за ценность, которую они приносят.

Во-вторых, важны стимулы от регулирующих органов. Энергетическая компания, которая получает больше прибыли от строительства новых подстанций и кабелей — что часто бывает так — будет склонна к их строительству. Если её также вознаграждают за использование аккумуляторов, умных зарядок и гибкого управления спросом для более дешевого решения той же проблемы, у неё появляются стимулы выбрать наилучшее сочетание средств.

В-третьих, бизнес-модель должна быть жизнеспособной. Аккумуляторы, умные системы управления и гибкое промышленное оборудование не смогут развиваться за счёт единоразовых грантов или краткосрочных пилотных проектов. Инвесторам нужны предсказуемые доходы, клиентам — доступное финансирование для покрытия первоначальных затрат, а поставщикам услуг — уверенность в том, что рыночные правила будут действовать достаточно долго, чтобы создать устойчивый бизнес.

Следующий этап электрификации заключается не столько в изобретении какого-то технологического решения, сколько в том, чтобы правительства, регуляторы и операторы систем создавали рыночные правила, стимулы и источники доходов, которые позволят существующим технологиям развиваться. На практике это означает рассматривать гибкость как настоящий системный ресурс и оплачивать ценность, которую она приносит.

Электрифицировать больше — да. Но также и лучше.

Вернёмся ещё раз к примеру нашего города, но уже спустя 15 лет.

Все автобусы электрические, но это лишь самое заметное изменение. Автопарки заряжаются в основном тогда, когда электроэнергия дешевая и в изобилии. Энергия, хранящаяся в их аккумуляторах, может использоваться в качестве резерва в чрезвычайных ситуациях, таких как штормы. В многоквартирных домах используются общие зарядные устройства, вместо того чтобы предоставлять возможности для электромобилей только тем, у кого есть подъездные дорожки. Дома остаются комфортными во время жаров и морозов благодаря совместной работе энергоэффективных зданий, тепловых насосов, систем хранения тепла и умных устройств управления: они предварительно нагревают или охлаждают помещения, когда есть достаточно чистой энергии, снижают нагрузку в моменты перегрузки сети и помогают поддерживать жизненно важные услуги во время отключений электроэнергии. Рестораны и школы готовят блюда без внутреннего сгорания и связанных с ним загрязнителей воздуха.

Промышленный район тоже изменился. Электрические котлы, двигатели и тепловые насосы используют энергию более рационально, в то время как такие процессы, как охлаждение, нагрев воды или перекачка жидкостей, автоматически запускаются раньше или на короткое время прерываются, когда сеть находится под нагрузкой. Новые заводы намеренно выбирают места, где доступна чистая энергия и достаточная пропускная способность сети. Центры обработки данных и другие крупные потребители энергии обеспечивают стабильное подключение, частично используя системы хранения энергии, возобновляемые источники производства на месте и возможности гибкого использования ресурсов, что способствует улучшению работы всей сети.

Для потребителей многие из этих изменений остаются незаметными. Их автомобиль готов к использованию утром, в зданиях сохраняется комфортная температура. Их поставщик энергии в фоновом режиме переносит моменты интенсивного потребления и возвращает часть сэкономленных средств. Во время перебоев в электроснабжении аккумуляторы в автобусах, домах и коммерческих зданиях помогают поддерживать работу критически важных служб.

Для экономики эти изменения имеют более глубокий характер. Средства, ранее тратившиеся на импорт, субсидии и добычу нефти и газа, теперь направляются на создание производительных активов внутри страны: чистые источники энергии, электросети, энергоэффективные здания, транспортные средства, системы хранения, программное обеспечение и промышленное оборудование. Вместо постоянных расходов на импортное топливо страны развивают устойчивые внутренние мощности, повышают промышленную устойчивость и получают больший контроль над своим энергетическим будущим.

Поэтому выгода от этого превышает сокращение выбросов. Речь идет о лучших товарах и услугах, более чистом воздухе, снижении затрат, укреплении энергетической безопасности и большем национальном контроле над энергоснабжением.

Электрификация — это не просто замена одного топлива другим или увеличение нагрузки на электросети. Речь идет о переходе от энергетической системы, основанной на неэффективном и загрязняющем окружающую среду сгорании, к системе, основанной на чистой электроэнергии, эффективных технологиях и спросе, способном интеллектуально реагировать на окружающую среду.

Да, необходимо электрифицировать больше. Но прежде всего — делать это лучше.

Электромобили и другие электрические устройства становятся важными не только в рамках климатической стратегии, но и с точки зрения доступности, экономической конкурентоспособности, общественного здоровья, качества услуг для потребителей, энергетической безопасности и устойчивости к нестабильным рынкам топлива.

Автор: Клем Перри, предоставлено WRI.