На первый взгляд, все довольно просто: чтобы ограничить глобальное потепление 1,5 °C, к 2030 году необходимо сократить выбросы парниковых газов на 45 % по сравнению с уровнем 2010 года. А нулевого уровня выбросов – достичь к 2050 году. Что для этого необходимо? – Переход на возобновляемые экологически чистые источники энергии. Это и ГЭС, и геотермальные станции, приливная энергетика. Эти направления развития имеют местные и экологические ограничения. Использование энергии ветра и солнца наносит значительно меньший ущерб окружающей среде, а местные ограничения – гораздо ниже. Лидером в переходе на возобновляемые источники стала солнечная энергетика: в 2023 г. она составила 75% из 510 ГВт новых мощностей в сфере новых источников энергии. Но эффективность отрасли оказалась ниже, чем ожидали. Почему?
Оказалось, что ежегодные потери фотоэлектрической энергии из-за лишних примесей в воздухе составили треть от энергии, вырабатываемой новыми фотоэлектрическими установками. В чем причина? Выяснилось, что аэрозоли, которые выбрасывают в воздух угольные электростанции мешают работе солнечных батарей.
Фундаментальное препятствие
Исследователи из University of Oxford (Великобритания) проанализировали данные по 140 945 фотоэлектрическим установкам. Для каждой из них рассчитаны показатели выработки энергии и потерь из-за облаков и аэрозолей.
рис: Глобальные потери фотоэлектрической энергии из-за облачности и аэрозолей (%).
Облака – основной фактор снижения инсоляции в атмосфере, но влияние аэрозолей велико в густонаселенных промышленных регионах, где сосредоточено наибольшее количество фотоэлектрических установок, поскольку эффективность их работы зависит от прозрачности атмосферы.
Что входит в состав аэрозолей? Сульфаты, образующиеся в результате окисления SO2, составляют 46,2% (28,3 ТВтч в год) от общих потерь фотоэлектрической энергии, связанных с аэрозолями. Углеродсодержащие аэрозоли, также частично образующиеся при сжигании угля, вносят дополнительный вклад в 11,3 ТВтч (18,4%).
В период с 2017 по 2023 год новые фотоэлектрические установки в среднем вырабатывали 246,6 ТВт·ч в год, в то время как потери существующих систем из-за аэрозолей достигали 74,0 ТВт·ч в год.
Согласно оценке University of Oxfordв 2023 году в мире аэрозоли снизили выработку фотоэлектрической энергии на 5,8 % (111 ТВт·ч). Это означает глобальные потери энергии в 515 ТВт·ч, что эквивалентно годовому объему выработки 84 угольных электростанций средней мощности (1 ГВт). С 2017 по 2023 год ежегодные потери фотоэлектрической энергии из-за этих примесей в воздухе составили треть от энергии, вырабатываемой новыми фотоэлектрическими установками.
рис: Годовые объемы энергии за счет солнца (оранжевый) и потери энергии из-за аэрозолей (синий).
В Китае, крупнейшем в мире производителе фотоэлектрических систем, активно использующем и уголь, и солнце, причем станции размещены неподалеку друг от друга, потери в 2023 г. составили 7,7%. Это 61,3 ТВтч или 54,9% от общемирового объема. Это максимальный размер потерь в мире.
В США, где солнечные и угольные станции работают на внушительном расстоянии друг от друга, потери, вызванные аэрозолями, значительно ниже. В 2023 году на долю США приходилось 18,1% мировой выработки фотоэлектрических энергии, а потери - 9,6% (10,7 ТВтч) от суммарных глобальных потерь, вызванных аэрозолями. Здесь прозрачность атмосферы на западе снижается из-за пыльных бурь и лесных пожаров, которые происходят все чаще с изменением климата. На востоке причиной аэрозолей становится промышленная деятельность и урбанизированные территории.
Но только в Китае потери снижаются на 0,96 ТВт·ч/год (−1,4 % /г.) за счет жесткого контроля снижения выбросов угольных ТЭС благодаря модернизации всего парка электростанций. На модернизацию угольных электростанций приходится 91% общего сокращения выбросов SO2 в угольном энергетическом секторе, на вывод старых ТЭС из эксплуатации - 9%.
Этот тренд – впервые выявленная исследователями положительная обратная связь в работе по переходу к возобновляемым источникам энергии. Но пока что она зафиксирована лишь в одной стране.
Как снизить потери?
строго контролировать выбросы угольных станций;
не размещать угольные и солнечные станции рядом;
отказаться от сжигания угля.
Сохранение угольной энергетики - это физический барьер, снижающий эффективность солнечных электростанций. Но темпы отказа от дешевого ископаемого топлива низки, что снижает эффективность использования энергии солнца и наносит ущерб усилиям по улучшению качеств воздуха и преодолению антропогенного вклада в глобальное потепление.
Доктор Chenchen Huang из University of Bath (Великобритания) предупреждает: «Игнорирование потерь солнечной энергии из-за загрязнения окружающей среды может привести к систематической переоценке объема возобновляемых источников энергии правительствами, бизнесом и обществом в целом. Чтобы не сбиться с пути, необходимо учитывать этот скрытый фактор и отказаться от субсидирования ископаемого топлива, в частности угля».