Мир движется к углеродной нейтральности, и один из многообещающих способов снизить выбросы — получать водород с помощью солнечной энергии. Вы ставите солнечные панели, они крутят электролизер, и на выходе — чистый водород. Красота. Но есть загвоздка: солнце светит не всегда, и мощность скачет. Чтобы сгладить эти перепады, нужны аккумуляторы. А они стоят денег, и немалых. Так что вопрос установки накопителя энергии в такой системе — настоящая головоломка: то ли сэкономить на батареях, но терпеть нестабильность, то ли раскошелиться, но получить ровный поток.

Эту дилемму решили изучить ребята из Школы экономики и управления Северо-Китайского электроэнергетического университета вместе с Пекинской ключевой лабораторией новых источников энергии и низкоуглеродного развития. Они задались прямым вопросом: может ли накопитель энергии сделать автономную (не подключенную к сети) солнечно-водородную установку более выгодной с экономической точки зрения?

Чтобы ответить, они сравнили два варианта: система с аккумуляторами и без них. А еще заглянули в будущее — учли, как технологии дешевеют со временем (это называют кривой обучения). Главным мерилом взяли так называемую приведенную стоимость водорода — сколько рублей выходит килограмм на выходе с завода. Проверили расчеты на семи регионах Китая, с разным климатом и солнцем: Нанкин, Фошань, Хух-Хото, Ухань, Сичан, Хайси и Харбин.

Подробности опубликованы в издании Frontiers of Engineering Management.

В 2020 году килограмм водорода с системой, где стоят аккумуляторы, обходился примерно в 22,23 юаня. А без них — дешевле, около 20,59 юаня. Но дальше начинается интересное. Технологии дешевеют, и по расчетам ученых, уже к 2030 году ситуация развернется: водород с накопителем станет дешевле, чем без него. Другими словами, вложение в батареи начнет окупаться.

Исследователи прикинули три сценария на будущее — пессимистичный, нейтральный и оптимистичный — в зависимости от того, как быстро будут дешеветь технологии. И досчитали аж до 2060 года. Кроме того, они сравнили свой солнечный водород с тем, который получают из обычного ископаемого топлива: из природного газа, из газа с улавливанием углекислоты, из угля и из угля с улавливанием.

Потом они устроили стресс-тест: меняли эффективность электролизера и эффективность аккумуляторов и смотрели, как это влияет на итоговую цену килограмма. Выяснилась важная вещь: сильнее всего на стоимость влияет цена самой солнечной электростанции за киловатт. Если она дорогая — никакие аккумуляторы ситуацию не спасут.

В каком году солнечный водород с батареями сможет потягаться по цене с обычным водородом из газа или угля — это зависит от сценария. А еще на этот срок сильно влияют два фактора: углеродный рынок (когда выбросы нужно оплачивать) и государственные субсидии. Они могут приблизить момент истины.

И еще один любопытный вывод: если вы повысите КПД электролизера, это снизит стоимость водорода гораздо заметнее, чем если вы улучшите те же литиевые аккумуляторы. То есть главное звено здесь — именно превращение электричества в водород, а не сглаживание скачков.

Для реальной жизни это исследование дает конкретный ориентир. Представьте, что вы инвестор или чиновник, который решает, стоит ли субсидировать водородные проекты. Вместо гадания вы получаете календарь: примерно к 2030 году установка аккумуляторов перестанет быть обузой и станет выгодной. Значит, до этого срока, возможно, имеет смысл помогать таким проектам деньгами или налоговыми льготами, а после — они сами заработают. Кроме того, вывод про решающую роль стоимости солнечных панелей (а не батарей) подсказывает, куда вкладывать усилия для ускорения перехода.

Для науки эта работа хороша тем, что она ставит точный количественный вопрос и отвечает на него с учетом региональных различий. Дальнейшие исследования могут углубиться в детали: учесть износ аккумуляторов, разные типы электролизеров, сезонную неравномерность солнечной радиации в каждом конкретном месте. Также можно расширить географию — например, на страны с другими ценами на оборудование и электроэнергию. И наконец, работа дает готовую модель для анализа, когда срабатывает эффект масштаба.

Но есть и замечания.

• Первое: исследование опирается на «кривые обучения» — предположение, что технологии дешевеют по предсказуемому закону с каждым удвоением выпуска. Это удобно, но в реальности цены падают скачками из-за прорывов или, наоборот, замирают из-за дефицита сырья (например, лития для батарей). Модель может дать ложную уверенность в точности дат.
• Второе: семь регионов Китая — это хорошо, но все они находятся в одной стране с единой политикой и близкими ценами на оборудование. Для глобальных выводов этого мало. Авторы говорят о мировой цели углеродной нейтральности, а исследуют только Китай. Где Европа с дорогим газом, где Ближний Восток с дешевым солнцем, но водой напряженка?
• Третье: в расчетах не учтены реальные сложности эксплуатации автономной системы без сети. Если аккумуляторы разрядятся в пасмурную неделю, электролизер встанет. Чтобы этого избежать, нужно либо сильно увеличивать батарею, либо ставить резервный генератор. В статье же сравниваются «идеальные» системы, где накопитель просто сглаживает суточные колебания.
• Четвертое: авторы упоминают государственные субсидии и углеродный рынок, но не уточняют, какие именно цифры закладывали. А от этого разбег по годам может быть очень большим. Без прозрачности таких допущений результат сложно проверить.

Ранее ученые выяснили, эффективны ли солнечные панели при непрямом солнечном свете.