Недостатньо просто електрифікувати більше. Ми повинні електрифікувати краще.

Підтримайте роботу CleanTechnica через підписку на Substack, Patreon або Stripe. Допоможіть нам створювати якісний оригінальний контент щотижня, незважаючи на виклики, пов’язані з штучним інтелектом для збору контенту, антисоціальними мережами, інфляцією та іншими перешкодами.

Електромобілі та інші електричні пристрої стають важливими не лише як частина кліматичної стратегії, а й у контексті доступності, економічної конкурентоспроможності, громадського здоров’я, досвіду споживачів, енергетичної безпеки та стійкості до нестабільних ринків палива.

О 5 ранку електричний автобус виїжджає зі свого депо після нічної зарядки, готовий везти дітей до школи без викидів дизельних вихлопів. Коли місто прокидається, теплові насоси вже підтримують комфортну температуру в будинках та офісах, використовуючи значно менше енергії, ніж їхні аналоги на газі. До полудня сонячна енергія заряджає транспортні засоби, охолоджує склади та допомагає фабрикам вести найенергоемніші процеси. Потім, коли мільйони людей повертаються додому та підключають свої автомобілі, розумні зарядні пристрої тихо планують зарядку на пізніший час, коли електроенергія дешевша, а мережа менш завантажена.

Подібні сцени починають з’являтися по всьому світу: електричні автобуси в Делі, електричні теплові насоси, які зігрівають будинки під час норвезьких зим, електричні вантажівки, що входять до складу китайських флотів з перевезень вантажів та будівництва. Перехід на електрифікацію вже розпочався.

Більшість людей сприйматиме цю трансформацію не як революцію в енергетичній системі, а як більш спокійний перехід, затишніший дім, нижчі рахунки чи чистіше повітря. Проте разом ці щоденні зміни позначають епохальний перелом у світовій економіці: від системи, заснованої на спалюванні викопного палива, до системи, яка функціонує за рахунок чистої електроенергії, ефективних технологій та гнучкого попиту.

Але що саме означає електрифікація? Як використання більшої кількості електроенергії може принести користь людям та планеті? І що станеться, коли мільйони нових електромобілів, побутових приладів, будівель та заводів підключаться до енергосистеми, яка вже перебуває під тиском?

Простими словами, електрифікація означає заміну технологій, які безпосередньо спалюють викопне паливо — автомобілів на бензині, дизельних автобусів, газових котлів, промислових печей тощо — альтернативами, які працюють від електроенергії. (Ідеально — чистою електроенергією, але про це детальніше пізніше).

Ця трансформація потрапляє у центр уваги не лише як кліматична стратегія, а й як питання доступності, економічної конкурентоспроможності, охорони здоров’я населення, досвіду споживачів, енергетичної безпеки та стійкості до нестабільних ринків палива.

Проте аргументи на користь електрифікації є більш переконливими та цікавішими, ніж проста заміна видів палива. Щоб зрозуміти її потенціал, спочатку потрібно розглянути, наскільки просунулась електрифікація, чому електротехнології використовують менше енергії та є дешевшими у експлуатації, а також що потрібно зробити, щоб електрифікація принесла суспільні та екологічні переваги. Тут ми детально розглядаємо поточний стан електрифікації та способи її прискорення правильним чином.

Який сьогодні стан електрифікації у світі?

Відповідь сильно залежить від того, де (і що) ви розглядаєте. У деяких технологіях та ринках електрифікація просувається дуже швидко. Однак у масштабах всієї світової економіки електроенергія все ще забезпечує лише близько 20% від загального споживання енергії (енергії, яка фактично використовується в домогосподарствах, підприємствах, транспортних засобах та фабриках).

Автомобільний транспорт наразі є найяскравішим прикладом прискорення процесу електрифікації. Обсяги світових продажів електромобілів зросли майже на 600% з 2020 року — минулого року вони досягли 20 мільйонів одиниць, і тепер електромобілі становлять понад чверть усіх нових автомобілів, які продаються. Транспорт розвивається швидше, ніж будівництво та важка промисловість, але більшість транспортних засобів, які вже є на дорогах, продовжують спалювати викопне паливо.

Темпи прогресу також суттєво відрізняються між регіонами. Китай, якого іноді називають «першою електрокраїною», випередив інших: електроенергія тепер забезпечує майже 30% від загального споживання енергії, на відміну від приблизно 22% у Сполучених Штатах та 21% у Європейському Союзі.

Нинішні темпи все ще далекі від достатніх. За даними Міжнародного агентства з відновлюваної енергетики, до середини століття електроенергія має забезпечувати понад половину від загального споживання енергії, щоб стримати підвищення глобальної температури на рівні 1,5 градуса Цельсія (2,7 градуса Фаренгейта) – це межа, яку, на думку вчених, необхідно дотримуватися для уникнення найгірших наслідків зміни клімату. Цього можна досягти лише шляхом значних змін у способах виробництва електроенергії, коли відновлювані джерела забезпечуватимуть близько 90% світової енергії. Тому електрифікація та декарбонізація енергетичного сектору мають розвиватися разом.

Чому прогрес є нерівномірним?

Частина пояснення криється у тому, наскільки розосереджений цей процес переходу. Рішення у сфері енергетики приймаються компаніями, які надають послуги, забудовниками, регуляторними органами та урядами, тоді як електрифікація кінцевих споживачів охоплює мільйони домогосподарств, транспортних засобів, підприємств та виробничих ліній.

Тим часом деякі види діяльності просто складніше електрифікувати, ніж інші. Електротехнології вже можуть використовуватися у дорожньому транспорті, будівлях та багатьох промислових процесах, що вимагають низьких температур. У багатьох випадках їх експлуатація вже дешевша, ніж у аналогів, що працюють на викопному паливі, і може забезпечити нижчі загальні витрати протягом усього терміну служби, навіть якщо початкова ціна залишається вищою. Електромобілі та автобуси, теплові насоси, індукційні плити, електричні водонагрівачі та багато промислових двигунів стають все більш доступними та недорогими.

Але для галузей, таких як виробництво сталі чи хімічна промисловість, та для секторів, як-от авіація та судноплавство, пряма електрифікація є складнішою. Ці види діяльності вимагають надзвичайно високих температур, використовують викопне паливо як сировину у процесі виробництва або потребують більше енергії, ніж сучасні акумулятори можуть ефективно забезпечити. У таких випадках водень, синтетичні палива чи інші альтернативи з низьким вмістом вуглецю можуть бути більш прийнятними варіантами, ніж електрифікація, тоді як для залишкових викидів, яких неможливо легко уникнути, може знадобитися поглинання вуглецю.

«Електрифікуймо все!» — це може здатися привабливим слоганом, але навряд чи він буде прагматичним або навіть бажаним як економічна чи промислова стратегія. Більш розумною (хоча, звісно, менш запам’ятовуваною) метою є пряма електрифікація у тих численних сферах, де це абсолютно доцільно, залишаючи більш обмежені альтернативи для секторів, які складніше електрифікувати.

Яка екологічна перевага електрифікації?

Електрифікація є засобом для досягнення цілей, а не кінцевою метою сама по собі. Автомобіль на електротязі, який живиться від мережі з високим вмістом вугілля, може завдати клімату більшої шкоди, ніж автомобіль на бензині. Його переваги, іншими словами, залежать від того, як генерується електроенергія. Однак електромобіль, тепловий насос чи промисловий процес можуть ставати все більш екологічними з часом, оскільки мережа декарбонізується завдяки більшому використанню вітру, сонця, ядерної енергії чи інших джерел чистої енергії. На відміну від цього, двигун чи котел на газі протягом усього свого терміну служби залишаються залежними від спалювання забруднюючих палив. Тож повна користь від електрифікації досягається лише шляхом розширення сфер використання електроенергії та поступового очищення джерел її постачання.

Крім того, однією з найбільш несподіваних особливостей електрифікації є те, що споживання електроенергії може зростати, водночас загальне споживання енергії знижуватися.

Причина — це ефективність. Двигуни внутрішнього згоряння витрачають до 80% енергії палива (переважно у вигляді тепла), перетворюючи лише 20% на корисний рух. У той же час електродвигуни перетворюють близько 80% своєї електричної енергії на рух. Теплові насоси досягають ще кращих результатів: замість створення тепла шляхом спалювання палива вони видобувають наявне тепло з повітря чи ґрунту, зазвичай забезпечуючи кілька одиниць тепла за кожну спожиту одиницю електроенергії.

Тому заміна технологій, які безпосередньо спалюють паливо, на електричні аналоги — заміна молекул на електрони — може зменшити кількість енергії, необхідної для подорожі на ту саму відстань чи опалення того ж будинку.

Це створює ще один, здавалося б, парадокс: рахунок за електроенергію може зрости, тоді як загальний рахунок за енергію зменшується. Звісно, електрифіковане домогосподарство споживає більше електроенергії; але його мешканці більше не купують паливо для автомобілів чи систем опалення. Оскільки електромобілі та теплові насоси використовують енергію набагато ефективніше, ніж двигуни внутрішнього згоряння та котли, економія на паливі може повністю компенсувати додаткове споживання електроенергії, навіть якщо вартість самої електроенергії зростає. Наприклад, один із нещодавніх аналізів оцінив, що повна електрифікація систем опалення та транспорту типового європейського домогосподарства може зменшити його загальний рахунок за енергію більш ніж удвічі.

Окрім зменшення викидів та споживання енергії, які переваги пропонує електрифікація?

Аргументи на користь електрифікації не можуть — і не повинні — ґрунтуватися лише на скороченні викидів (хоча може здатися, що збереження придатної для життя планети є достатньо переконливою відправною точкою!).

Перехід від старих технологій відбувається швидше, коли нові технології є не лише чистішими, а й очевидно кращими для людей та бізнесу. Електромобілі тихіші, плавніше керуються, зазвичай дешевші у експлуатації та реагують швидше, ніж автомобілі на бензині, з можливістю миттєвого прискорення з місця. Теплові насоси можуть забезпечувати опалення та охолодження за допомогою однієї системи. Електричне приготування їжі покращує якість повітря в приміщенні та дозволяє краще контролювати температуру. Електричне промислове обладнання може зробити виробництво більш точним, реактивним та ефективним. Крім того, усі ці технології можуть допомогти знизити витрати завдяки більш ефективному використанню енергії.

Але краща технологія не завжди є кращим варіантом для всіх. Початкові витрати, доступ до інфраструктури та спосіб формування цін на електроенергію визначають, які домогосподарства та підприємства отримають вигоду. Заможний власник будинку з під’їзною дорогою може одразу придбати електромобіль та встановити зарядний пристрій; кур’єр у Найробі, можливо, потребує доступних фінансових засобів, системи заміни акумуляторів та надійних громадських зарядних станцій. Добре ізольована будівля може ефективно використовувати тепловий насос; погано ізольована може потребувати дорогих модернізацій, перш ніж використання теплового насоса стане доцільним.

Отже, хоча технології створюють потенціал, саме інфраструктура, фінансування та політика визначають, хто зможе його реалізувати. Наприклад, у Руанді політика податкових стимулів разом із приватним фінансуванням та мережами заміни акумуляторів допомагає водіям мото-таксі переходити на електричні велосипеди. Це зменшує щоденні витрати на паливо та обслуговування для водіїв, водночас покращуючи якість повітря у місті та сприяючи досягненню країною цілі електрифікувати 30% її двоколісних та трьохколісних транспортних засобів до 2030 року.

Чи може електромережа справді підтримати більшу електрифікацію при зростанні попиту на електроенергію?

Попит на електроенергію вже стрімко зростає через збільшену потребу в охолодженні, дата-центри, промисловий розвиток та ширший доступ до надійної електроенергії. Якщо додати мільйони електромобілів, теплових насосів та промислових машин, не спланувавши, де та коли вони будуть отримувати електроенергію, сучасні проблеми лише погіршаться.

Тож електрифікація — це не лише виклик у галузі виробництва електроенергії. Це також виклик для мереж та координації, що вимагає дій у трьох напрямках:

По-перше, отримати більше вигоди від вже існуючої системи. Кращі дані, розумніші системи керування, зберігання енергії та вибіркове оновлення обладнання можуть допомогти операторам передавати більше енергії через існуючі мережі та краще використовувати потужності, які інакше залишалися б невикористаними.

По-друге, швидше та більш стратегічно розширювати потужності мереж. Енергетичні компанії потребують впевненості та регуляторних норм, щоб інвестувати передбачувано до зростання попиту. Процеси підключення, отримання дозволів та стандарти обладнання потребують реформування для прискорення робіт.

По-третє, змінити час та місце піку споживання електроенергії. Розташування, час та гнучкість нового депо для автобусів, центру обробки даних чи заводу можуть суттєво вплинути на кількість необхідної інфраструктури мережі, на те, хто ще може підключитися, та на час цього процесу.

Уявіть собі місто, яке планує будівництво тисяч нових житлових будинків та великої флотилії електричних автобусів. Якщо орган з житлового будівництва, транспортне управління та комунальні служби планують окремо (що трапляється дуже часто), трансформатори можуть бути оновлені двічі, підключення до депо затримуватиметься, а мешканці залишатимуться у очікуванні як житла, так і кращого транспорту. Якщо планувати все разом — разом із місцевими сонячними електростанціями, акумуляторами та двонаправленим заряджанням та керуванням — ці ж інвестиції зможуть підтримати кілька громадських пріоритетів, водночас створюючи локальні об’єкти зберігання енергії за потребою.

Будувати екологічні джерела виробництва енергії марно, якщо споживачі не можуть до них під’єднатися. Будувати нову мережеву інфраструктуру — марнотратно, якщо існуюча потужність залишається недостатньо використаною. Стратегічна електрифікація вимагає як розширення, так і значно кращої координації між енергетикою, транспортом, будівлями, промисловістю та міським розвитком.

Як ми можемо перейти від пасивного споживання електроенергії до активного попиту?

Уявіть собі 18:00 у тому самому все більш електрифікованому місті, про яке я згадував на початку цієї статті. Тисячі сімей повертаються додому та починають готувати вечерю. Автомобілі підключені до електромережі. Опалення чи кондиціонування все ще працюють, магазини залишаються відкритими, фабрики продовжують виробництво, а центри обробки даних — роботу. Проблема не завжди полягає у браку електроенергії в усій системі. Справа в тому, що занадто великий попит надходить у одні й ті самі ділянки мережі в один і той самий момент. Мережі перевантажуються, вмикаються дорогі резервні джерела енергії, а мільярди витрачаються на будівництво інфраструктури, яка потрібна лише кілька годин на рік.

Проте більша частина цього попиту є гнучкою.

Автомобіль може стояти на парковці всю ніч, але для зарядки йому потрібно лише кілька годин. Будівлі можуть попередньо нагріватися або охолоджуватися перед піком споживання електроенергії. Водонагрівачі, холодильні склади, акумулятори та деякі промислові процеси також можуть запускатися трохи раніше або пізніше, зміщуючи пік споживання — і все це без порушення комфорту чи продуктивності.

Для всього цього не потрібно, щоб люди переорганізовували свої вечори чи ставали аматорами у торгівлі електроенергією. Вони просто хочуть, щоб їхні автомобілі були заряджені, їхні домівки — комфортними, а рахунки — нижчими.

Розумні системи керування можуть автоматично оптимізувати використання енергії. Клієнт може приєднатися до програми, яку запускає його постачальник енергії, яка тимчасово коригує роботу термостата, зарядного пристрою для електромобіля та/або водонагрівача у моменти особливо високого попиту на електроенергію — зазвичай без значного погіршення комфорту чи зручності. Клієнт зберігає остаточний контроль та може скасувати ці зміни, отримавши натомість меншу рахунок чи оплату. Якщо це зроблено правильно, це призводить до тройної вигоди: нижчі рахунки для клієнта, менше навантаження на електромережу та менші дорогі інвестиції.

У умовах обмеженого часу та простору мегават потреби, який можна перенести у часі, може бути ціннішим за мегават додаткової потужності. Це дозволяє негайно усунути перешкоди, зменшити скорочення виробництва відновлюваних джерел енергії (коли їх виробництво навмисно зменшують через брак місткості мережі чи недостатню попит на неї), а також уникнути будівництва інфраструктури, яка використовується лише кілька годин на рік.

Технологія існує. То що бракує?

По-перше, електроенергетична система мусить знати, які гнучкі ресурси є у наявності та коли вони можуть реагувати. Оператор мережі не може покладатися на тисячі окремих зарядних пристроїв для електромобілів, акумуляторів чи комерційних холодильників, якщо не знає, де вони знаходяться, наскільки швидко вони можуть реагувати чи яку кількість навантаження вони можуть змінити. Ці численні менші ресурси також потребують простого шляху на ринок (часто шляхом об’єднання їх у групи за допомогою „агрегатора“). Крім того, їх потрібно винагороджувати за цінність, яку вони надають.

По-друге, важливі стимули від регуляторів. Енергетична компанія, яка отримує більше прибутку від будівництва нових підстанцій та кабелів — що часто трапляється — буде схильна до їх будівництва. Якщо її також винагороджують за використання акумуляторів, розумних зарядок та гнучкого споживання електроенергії для дешевшого вирішення тієї ж проблеми, у неї з’являються стимули обрати найкраще поєднання цих засобів.

По-третє, бізнес-модель має бути життєздатною. Акумулятори, розумні системи керування та гнучке промислове обладнання не зможуть розвиватися за рахунок одноразових грантів чи короткострокових пілотних проектів. Інвесторам потрібні прогнозовані доходи, клієнтам — доступне фінансування для покриття початкових витрат, а постачальникам послуг — впевненість у тому, що ринкові правила будуть діяти достатньо довго для створення життєздатного бізнесу.

Наступний етап електрифікації полягає не стільки у винаході якогось технологічного „чудо-засобу“, скільки у тому, щоб уряди, регулятори та оператори систем створювали ринкові правила, стимули та джерела доходу, які дозволять існуючим технологіям розширюватися. На практиці це означає розглядати гнучкість як справжній ресурс системи та оплачувати цінність, яку вона забезпечує.

Електрифікуйте більше — так. Але й електрифікуйте краще.

Ще раз повернемося до нашого прикладу міста, але через 15 років.

Усі автобуси є електричними, але це лише найбільш помітна зміна. Депо заряджаються переважно тоді, коли електроенергія є дешевою та в достатку. Енергія, збережена в їхніх акумуляторах, може використовуватися як резервне джерело живлення під час надзвичайних ситуацій, таких як шторми. Багатоквартирні будинки діляться зарядними пристроями, замість того щоб призначати електромобілі лише для тих, у кого є приватні під’їзні дороги. Будинки залишаються комфортними під час спекотних хвиль та морозів завдяки ефективним будівлям, тепловим насосам, системам термічного зберігання та розумному керуванню, які працюють разом: попередньо нагріваючи або охолоджуючи приміщення, коли є достатньо чистої електроенергії, зменшуючи навантаження під час напруженості в мережі та допомагаючи підтримувати життєво важливі послуги під час перебоїв у електропостачанні. Ресторани та школи готують їжу без внутрішнього згоряння та пов’язаних із ним забруднювачів повітря.

Промисловий район також змінився. Електричні котли, двигуни та теплові насоси використовують енергію більш ефективно, тоді як такі гнучкі процеси, як охолодження, нагрів води чи перекачування, автоматично запускаються раніше або на короткий час зупиняються, коли мережа перевантажена. Нові заводи навмисно обирають місця розташування, де є чиста енергія та достатня мережева потужність. Центри обробки даних та інші великі споживачі енергії забезпечують стабільне підключення, частково за рахунок використання систем зберігання енергії, чистого виробництва на місці та гнучкості, що позитивно впливає на всю систему.

Для споживачів більша частина цих змін залишається непомітною. Їхній автомобіль готовий вранці. У їхніх будівлях залишається комфортна температура. Їхній постачальник енергії в фоновому режимі коригує споживання та повертає частину заощаджень. Під час перебоїв у постачанні електроенергії акумулятори в автобусах, будинках та комерційних будівлях допомагають підтримувати роботу критично важливих послуг.

Для економіки ця зміна є ще більш глибокою. Гроші, які раніше витрачалися на імпорт, субсидії та спалювання нафти й газу, тепер спрямовуються у продуктивні активи в країні: чисте виробництво енергії, електромережі, ефективні будівлі, транспортні засоби, системи зберігання, програмне забезпечення та промислове обладнання. Замість постійних витрат на імпортні палива країни створюють стабільні власні потужності, зміцнюють промислову стійкість та отримують більший контроль над своїм енергетичним майбутнім.

Тож вигода є більшою, ніж просто скорочення викидів. Це кращі продукти та послуги, чистіше повітря, нижчі витрати, сильніша енергетична безпека та більший національний контроль над енергопостачанням.

Електрифікація — це не просто заміна одного палива іншим чи збільшення навантаження на електромережу. Це перехід від енергетичної системи, заснованої на неефективному та забруднюючому процесі згоряння, до системи, що ґрунтується на чистій електроенергії, ефективних технологіях та попиті, здатному розумно реагувати на оточуючу систему.

Так, необхідно електрифікувати більше. Але передусім — електрифікувати краще.

Електромобілі та інші електричні пристрої стають актуальними не лише як частина кліматичної стратегії, а й через питання доступності, економічної конкурентоспроможності, громадського здоров’я, досвіду споживачів, енергетичної безпеки та стійкості до нестабільних ринків палива.

Автор: Клем Перрі, за дозволом WRI.