Наивный анализ, стоящий за максимализмом модернизации жилых помещений.
авторы: Сивер Ванг; Райан Алименто и Алекс Трембат
В связи с тем, что внутреннее потребление электроэнергии растет впервые за последнее поколение, разгорелась дискуссия о том, как наилучшим образом удовлетворить этот новый спрос.
Одна из сторон утверждает, что самый быстрый способ справиться с ростом нагрузки — это незначительные и распределенные улучшения — “получать больше от сети, которая у нас уже есть” с помощью технологий, улучшающих работу сети (GETs), повышения эффективности за счет электрифицированных технологий конечного использования, таких как тепловые насосы, и использования распределенных энергетических ресурсов (DERs), такие как солнечные батареи на крыше, аккумуляторные батареи-накопители и виртуальные электростанции (VPPS). Другая группа стремится оптимизировать строительство в общей энергосистеме, предлагая ускорить поиск мест и выдачу разрешений на строительство новых линий электропередачи и межсетевых соединений для производства новой электроэнергии и новых крупных источников нагрузки, таких как центры обработки данных, заводы по производству микросхем, заводы по переработке металла и другие.
Эти два подхода не являются взаимоисключающими; на самом деле, они могут дополнять друг друга. Повышение эффективности и увеличение чистой мощности могут быть достигнуты как на подающем, так и на распределительном уровнях электроэнергетической системы, и многие DER действительно могут быть развернуты быстро, “выигрывая время” для массового энергоснабжения и передачи электроэнергии, которые необходимо будет построить в ближайшие годы и десятилетия.
Но некоторые представители первого лагеря склонны противопоставлять эти подходы друг другу. А именно, в новой серии отчетов Rewiring America утверждается, что технологические компании должны обеспечивать безопасность электроснабжения, финансируя модернизацию домов, а не новую централизованную генерацию. Они описывают это как выбор между инвестициями в гиперскалиберные сети, которые “укрепляют модель, которая концентрирует богатство среди крупных энергетических и технологических компаний, или создает модель, которая снижает затраты, укрепляет сообщества и концентрирует домохозяйства”. Компания Rewiring America утверждает, что общенациональное внедрение тепловых насосов, солнечных батарей на крышах, систем домашних аккумуляторов и электрификация домохозяйств в целом создадут новую категорию гибких сетевых ресурсов, которые не только удовлетворят 100-процентный спрос на электроэнергию в центрах обработки данных, но и повысят доступность энергии для десятков миллионов домохозяйств и уменьшат “зависимость от дорогостоящей инфраструктуры». расширение.” Ни анализ, ни грандиозные заявления, сделанные в серии отечественных энергетических отчетов, не следует воспринимать всерьез. Компания Rewiring America делает чрезмерно оптимистичные и необоснованные предположения, рассматривая электрификацию жилых помещений как предпочтительную альтернативу инвестициям в систему массового электроснабжения. Их выводы предполагают, что темпы внедрения тепловых насосов, солнечных батарей на крышах и домашних батарейных установок сразу же на порядки превышают темпы, наблюдавшиеся в последние годы. Более того, они никогда не обсуждают, как электрификация 68 миллионов домов к 2030 году сама по себе создаст значительный новый спрос на электроэнергию, упускают из виду, как будут выглядеть логистические и эксплуатационные расходы на такую программу, и как страна справится с ростом нагрузки после 2030 года, уже исчерпав все якобы легко мобилизуемые энергетические мощности в стране. жилой сектор может вам это предложить.
Электрификация и DER могут значительно улучшить существующую энергетическую систему и, безусловно, заслуживают политической поддержки. Но максималистские исследования, подобные этим, вводят политиков в заблуждение, заставляя их полагать, что модернизация жилья должна быть приоритетом для расширения сети.
В дополнение к игнорированию потребности в новых ресурсах массового снабжения, таких как электростанции, системы передачи и взаимоподключения, а также хранилища в масштабах всей сети, максимализм в области электрификации жилых помещений приводит к немедленным негативным последствиям для самих домовладельцев. Например, город Беркли, Калифорния, требует от продавцов домов на одну квартиру “заменить приборы, работающие на ископаемом топливе, или произвести другие экологичные обновления в качестве условия продажи”. Продавцы, которые откладывают выполнение этого требования, должны выплатить покупателям кредит в размере 2500 долларов на модернизацию после покупки, хотя расходы на например, стоимость установки теплового насоса может легко достичь 20 000 долларов. Это требование равносильно необеспеченному финансированием мандату для покупателей жилья в Беркли, что увеличивает стоимость переоборудования, а вместе с ним и стоимость жилья.
Вместо этого для преодоления кризиса доступности электроэнергии в стране требуется подход, который охватывает как крупномасштабную систему электроснабжения, так и распределенные инновации. В условиях политической ситуации, когда тревоги обычных американцев связаны с опасениями, что центры обработки данных приведут к резкому росту их счетов за электроэнергию, у политиков появляется прекрасная возможность использовать инвестиции компаний hyperscaler в энергетический сектор для финансирования проектов в области электроэнергетики, которые приносят пользу им самим и обществу в целом. В отчетах Rewiring America, в которых электрификация жилых домов рассматривается как альтернатива инвестициям в систему массового электроснабжения, представлена политическая программа с нулевой суммой, которая чрезмерно зависит от распределенных энергетических ресурсов и может только усугубить давление на стоимость энергии для американских потребителей.
Распределенная Математика, Которая не сходится.
Основная проблема отчетов Rewiring America заключается в значительном завышении пропускной способности сети, которую может создать модернизация дома. Что касается тепловых насосов, то логика компании Rewiring America заключается в том, что сеть рассчитана на пиковую мощность, поэтому снижение спроса во время этих пиков означает, что коммунальным службам или гипермаркетам не нужно вкладывать средства в новые тепловые насосы для обеспечения большой нагрузки. Они моделируют это, рассматривая 10 наиболее напряженных часов в году. Предполагается, что в течение остальных 8750 часов в году центры обработки данных будут обеспечиваться энергией за счет более широкого использования существующих генераторов. В этом нет ничего необычного: газотурбинные установки с базовой нагрузкой работают в среднем на 66% мощности. Предположительно, они могли бы работать дольше в течение года для обслуживания новых центров обработки данных. Аналогичным образом, замена неэффективных электрических систем кондиционирования воздуха на тепловые насосы может, по сути, снизить пиковый спрос и высвободить мощности для размещения центров обработки данных.
Большинство других методологических решений не так хорошо поддаются проверке. Например, расчеты солнечной энергии на крышах основаны на упрощении, которое позволяет использовать каждую крышу в стране для оптимальной системы, выходящей на южную сторону. Это эффективно гарантирует получение высококачественных оценок солнечной мощности со значительным отрывом. В дополнение к устранению тех крыш с облицовкой, которые довольно сильно отклоняются к югу, кампания по внедрению солнечных батарей также должна была бы исключить дома со старыми крышами или кровельными материалами, а также дома, где системы не будут генерировать экономически полезную солнечную энергию. Это предложение по модернизации жилья также завышает количество домов, которые могли бы принять участие в проекте, игнорируя сокращение числа участников из-за различий в восприимчивости домовладельцев. Между тем, мощность установки может не соответствовать намеченному уровню амбиций. Компания Rewiring America неоднократно заявляла, что электрификация домов, солнечные батареи на крышах и аккумуляторы для аккумуляторов на крыше предлагают более быстрые решения, чем централизованная инфраструктура, ссылаясь на длительные сроки поставки газовых турбин и очереди на подключение, а также продвигая модернизацию дома как решения, которые могут быть реализованы “в течение нескольких месяцев, а не лет”. Месяцы могут быть разумным предположением для каждого отдельного дома. согласно отчетам America, к 2030 году тепловые насосы будут установлены в 68 миллионах домов, а системы с солнечными батареями — почти в 80 миллионах домов на одну семью. Согласно нашему анализу, это повлечет за собой, по сравнению с текущими темпами развертывания, увеличение количества солнечных установок в жилых домах в 8-10 раз и в 35-50 раз — в домашних аккумуляторных батареях, не говоря уже о количестве сертифицированных электриков и других специалистов, необходимых для обеспечения такого уровня развертывания.
Оценки Rewiring America по использованию солнечных батарей на крышах не только чрезмерно оптимистичны, но и не учитывают географию, когда заявляют, что потенциальная мощность солнечных батарей на крышах и систем хранения данных “может обеспечить 100-процентный рост спроса на центры обработки данных”. Эта впечатляющая статистика, приведенная на обложке первого отчета, основана на статистических данных, обобщенных по всей стране: 109 ГВт потенциальной солнечной энергии плюс мощности для хранения данных по сравнению с 93 ГВт ожидаемого спроса на центры обработки данных. Но большая часть их предполагаемых мощностей просто будет находиться далеко от новых центров обработки данных. На рисунке ниже показаны возможные пространственные масштабы несоответствия спроса и предложения. Например, модернизация жилых домов оставляет неудовлетворенным огромный спрос на центры обработки данных в Вирджинии, в то время как крыши домов в солнечной Калифорнии и Флориде вырабатывают гораздо больше электроэнергии, чем требуется местным центрам обработки данных. Основные утверждения доклада предполагают направление этих излишков в регионы, нуждающиеся в таких мощностях, что требует значительных инвестиций в межрегиональные линии электропередачи — та же модель крупномасштабного расширения инфраструктуры, от которой, как утверждается, предостерегает Rewiring America.
Кампания по обновлению домашнего оборудования также должна преодолеть нерешенные технические и административные препятствия, с которыми сталкиваются DERS, что неизбежно приведет к увеличению затрат на внедрение, увеличению сроков развертывания и возникновению рисков, которые Rewiring America не обсуждает. В оперативном плане коммунальным службам придется существенно модернизировать распределительную сеть, чтобы эффективно использовать солнечную генерацию в жилых домах, а также преодолеть технологические трудности, связанные с прогнозированием, координацией и контролем. Для полностью используемых домашних солнечных систем и аккумуляторных батарей коммунальные службы могут даже потребовать плату за интеграцию в сеть для покрытия расходов на поддержку системной инфраструктуры. Сложность оценки потенциала модернизации, найма участников и реализации проектов по отдельности также приведет к значительным операционным издержкам, которые увеличат номинальную стоимость дополнительных мощностей по каждому проекту. Анализ Rewiring America в значительной степени не учитывает эти затраты.
Помимо игнорирования административных расходов и затрат на электроснабжение, во втором отчете Rewiring America делается методологический выбор, который скрывает триллионы долларов в особых предположениях о расходах домохозяйств. В отчете, озаглавленном “План политики по обеспечению доступности энергии”, рекомендуются меры по электрификации, которые, как утверждается, обеспечат “экономию в среднем на протяжении всей жизни на один дом в размере 26 000 долларов, или 1,5 трлн долларов по всей стране” после 15-20-летнего периода окупаемости. Это экономия не только за счет снижения расходов на электроэнергию, но и в связи с будущим, когда каждый дом по всей стране нерационально заменит свою бытовую технику на более новые модели “по типу аналогичных”. Таким образом, программа Rewiring America предполагает, что все работающие на ископаемом топливе печи, водонагреватели и бытовые отопительные приборы в стране по умолчанию будут заменены на новейшие модели, работающие на ископаемом топливе. Согласно им, средняя стоимость модернизации каждого дома составляет 15 000 долларов, а это означает, что во всех 68 миллионах неэлектрифицированных домов домовладельцы потратят ненужные 1,02 триллиона долларов, вместо того чтобы просто сохранить существующую бытовую технику. Более честный подход не учитывал бы эти дополнительные первоначальные капитальные затраты при оценке пожизненной экономии по всей стране за счет массовой электрификации, что само по себе должно быть обоснованным расчетом.
В целом, массовая электрификация домов может предоставить некоторые возможности для высвобождения мощности электросетей, поскольку гипермаркеты увеличивают нагрузку по всей стране, но вряд ли это позволит достичь таких масштабов, о которых заявляет Rewiring America, и, конечно, не приведет к снижению расходов на электроэнергию.
Жилой сектор: Многообещающий, но без «Серебряной пули».
Дополнительным доказательством того, что модернизации домов недостаточно для удовлетворения растущей нагрузки на центры обработки данных, являются отчеты Rewiring America. “Серия” Homegrown Energy на самом деле содержит два разных сценария с допущениями, оптимизированными для достижения двух разных целей. В части II утверждается, что модернизацию можно сделать доступной, смоделировав установку тепловых насосов в 68 миллионах домов в США, где их сегодня нет, и применив стратегию автономного использования аккумуляторных батарей, которая сводит к минимуму экспорт и импорт энергии в сеть.
Это резко контрастирует с частью I, в которой предлагается модернизация домашних хозяйств как вариант удовлетворения спроса на центры обработки данных за счет снижения энергопотребления в часы пик. Соответственно, из 21 миллиона домов выбирается та часть, в которой установка тепловых насосов снизила бы пиковый спрос и цены. В этих домах уже есть системы кондиционирования воздуха, работающие на электричестве, но они используют менее энергоэффективные технологии, чем тепловые насосы. Естественно, переход от устаревшей электрической системы к более совершенной снижает потребление энергии — примерно так же, как замена ламп накаливания на светодиоды. Но из-за ограничения объема анализа не учитываются остальные 47 миллионов домохозяйств, для которых использование тепловых насосов увеличит потребление электроэнергии — те, которые в настоящее время используют газ, нефть, дрова или не имеют отопления помещений, а также те, которые оснащены оконными или настенными кондиционерами или без них. Однако в части II, где приводится модель установки тепловых насосов для этих домов, ничего не говорится о том, как такая программа повысит пиковый спрос на электроэнергию и потребует новых инвестиций в централизованную инфраструктуру.
Кроме того, в части I солнечные батареи и хранилища на крышах каждого штата рассматриваются как идеально скоординированная сеть электросетевых активов и отдается приоритет экспорту жилых помещений, которые обеспечивают снижение пиковой нагрузки в масштабах всей сети, в отличие от подхода части II, который ставит во главу угла выгоды для домовладельцев, а не удовлетворение общесистемного спроса. Сложность заключается в том, что батареи не могут активно экспортироваться в часы пиковой нагрузки (как предполагается в части I), а также минимизировать этот экспорт (предположение в части II). Солнечные батареи для жилых помещений с накопителями не могут одновременно соответствовать этим двум различным социальным ценностям. Другими словами, модернизация дома может либо удовлетворить спрос на центры обработки данных, либо снизить затраты на электрификацию дома, но она не может сделать и то, и другое одновременно. Наконец, даже если чрезмерно упрощенные прогнозы «перепрофилирования Америки» по повышению эффективности электрификации домов каким-то образом оправдаются, увеличение нагрузки в течение следующих пяти лет неизбежно потребует новых поставок и передачи электроэнергии, за которые придется платить плательщику тарифов. Инициатива Rewiring America позволит к 2030 году оснастить каждое домохозяйство в стране тепловыми насосами, батареями и солнечными батареями на крышах. Но после того, как в жилом секторе будет задействован каждый гигаватт разумной мощности, электрификация домов больше не сможет служить ресурсом, обеспечивающим практически гарантированный дальнейший рост нагрузки после 2030 года. Для этого потребуются дополнительные централизованные электростанции и линии электропередачи — большинство из них построены коммунальными службами и оплачиваются через счета за электричество или самими центрами обработки данных.
Доступная электрификация не может игнорировать инфраструктуру. Правильный баланс внимания к модернизации дома и электросети на системном уровне в конечном счете прост. Директивным органам следует преодолеть бюрократическую волокиту, чтобы сделать модернизацию жилья более доступной для американцев, которые в ней нуждаются, сосредоточив внимание на направлении капиталовложений коммунальных служб и разработчиков центров обработки данных в общую инфраструктуру, которая поддерживает долгосрочную устойчивость систем электроснабжения и национальный экономический рост. Короче говоря, электрификация домов и DER должны осуществляться исходя из их собственных достоинств, не переоценивая более широкие преимущества электросетей.
Дилемма, с которой столкнутся политики США в обозримом будущем, заключается в том, что никакие реалистичные действия не приведут к существенному снижению тарифов на электроэнергию — во всяком случае, не сразу. Увеличение спроса на электроэнергию потребует увеличения объемов строительства, что, в свою очередь, потребует капитализации за счет распределения платежей. Затраты на простое обслуживание и замену существующей распределительной инфраструктуры уже отражаются на счетах налогоплательщиков. Таким образом, противоречие между переходом на экологически чистую энергию, ростом нагрузки и доступностью энергии по цене — это не ошибка, а закономерный процесс адаптации рынков к новому спросу.
С использованием экологически чистой энергии или без нее модернизация энергосистемы США в условиях растущего спроса на нее будет обходиться дороже в течение многих лет, прежде чем эти усилия начнут экономить деньги американцев. Эти расходы представляют собой инвестиции в лучшее будущее, которые могут сократить расходы на электроэнергию не завтра, а через десять лет. Сосредоточение внимания на долгосрочном развитии энергетической системы, прежде всего, поможет обеспечить более адекватный баланс политических усилий между возможностями на уровне дома на одну семью и возможностями на уровне макросети.
| Сивер Ван — Доктор Сивер Ванг является содиректором климатической и энергетической программы Breakthrough Institute, глобального исследовательского центра, который продвигает технологические решения экологических проблем и проблем человеческого развития. |
Breakthrough Institute — американский аналитический центр (основан в 2007 году, занимается исследованиями в сфере экологии, энергетики, технологий). У него есть сайт thebreakthrough.org, каналы в соцсетях.