Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре возглавили международную команду, которая проанализировала ресурсы региона и энергосистему. Используя эти данные, они разработали энергетический портфель, который наиболее эффективно удовлетворяет энергетическим потребностям Южной Африки к 2040 году, обнаружив, что ветер и солнечная энергия являются наиболее экономически эффективными вариантами в регионе. Более того, предложение их модели эффективно замораживает выбросы парниковых газов на уровне 2020 года, одновременно удваивая количество электроэнергии, которую может производить сеть. Подробный анализ появляется в журнале Джоуль.

В настоящее время 315 миллионов человек на юге Африки используют около 275 тераватт-часов, что примерно столько же, сколько в Калифорнии. "Однако ожидается, что Южная Африка удвоит свои потребности в электроэнергии к 2040 году", - сказал соруководитель и автор-корреспондент Ранджит Дешмух, доцент Программы экологических исследований UCSB. "Освоение превосходных ресурсов ветра, солнца и природного газа в регионе является наименее затратным вариантом для его потребителей и может удовлетворить этот спрос без увеличения выбросов углерода в электроэнергетическом секторе региона".

Дешмук и его коллеги также обнаружили, что, несмотря на удвоение спроса на электроэнергию, Энергетическому пулу Южной Африки (САПП), возможно, не понадобятся ни угольные электростанции, ни половина запланированных гидроэнергетических проектов, оба из которых потенциально оказывают огромное воздействие на окружающую среду.

Чтобы прийти к этим выводам, команда использовала набор моделей, учитывающих целый ряд структурных, климатических и экономических факторов. Дешмух и соавтор Грейс Ву, также из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, разработали один из инструментов под названием MapRE в 2020 году. "MapRE позволяет нам определять подходящие площадки для ветровых и солнечных проектов на основе скорости ветра, солнечной радиации, близости к линиям электропередачи и дорожной инфраструктуре, а также землепользования", - сказал Дешмух, который возглавляет лабораторию преобразования чистой энергии (CETlab) и является научным сотрудником Лаборатории экологических рынков (emLab).

Ведущий автор AFM Камал Чоудхури, постдокторский исследователь в группе Дешмука, создал гидроэнергетическую модель под названием VIC-Res-Southern-Africa. Эта модель оценивает ежемесячную выработку электроэнергии от существующих и планируемых гидроэлектростанций.

Авторы взяли данные из MapRE и VIC-Res, а также существующие и планируемые мощности по производству и передаче электроэнергии и ввели их в модель планирования электроэнергии под названием GridPath, которая была разработана Дешмуком и соавтором Анной Милевой. Эта модель обеспечивает рекомендуемый энергетический портфель. Как модель, так и наборы данных являются открытыми и общедоступными.

Результаты были обнадеживающими. "Если технологии и затраты на топливо будут соответствовать ожидаемым тенденциям, - пишут авторы, - ветровые и солнечные технологии, вероятно, будут доминировать в будущих инвестициях в производство электроэнергии в Южной Африке и, таким образом, станут доминирующим источником электроэнергии в регионе к 2040 году".

Примечательно, что модель предполагала, что угольная энергетика не будет конкурировать с этими возобновляемыми источниками энергии. "Нынешний парк угольных электростанций устарел и дорог в эксплуатации", - сказал соавтор Кудакваше Ндхлукула. "При более глубокой региональной интеграции эксплуатировать эти электростанции в любом случае было бы неэкономично". Ндхлукула является исполнительным директором Центра сообщества развития Юга Африки по возобновляемым источникам энергии и энергоэффективности (SACREEE), межправительственной организации, в которую входят 12 стран Энергетического пула Юга Африки.

Авторы отмечают, что при финансовой поддержке глобальных климатических фондов, таких как Зеленый климатический фонд, электростанции региона, работающие на угле, можно было бы даже досрочно вывести из эксплуатации. Модель предсказывала, что перевод электростанций в автономный режим на 10 лет раньше увеличит затраты на электроэнергию всего на 4% в год. Это может еще больше снизить выбросы парниковых газов на 22% по сравнению с уровнем 2020 года.

Исследователи также обнаружили, что Южной Африке требуется гораздо меньше гидроэнергии, чем ожидалось. В плане создания энергетического пула Южной Африки предусмотрено много дополнительной гидроэнергетики, и есть большой потенциал для освоения этого ресурса, отметил Дешмух. "Но, используя предположения SAPP о стоимости гидроэнергетики - и последние данные о затратах на ветер, солнечную энергию и аккумуляторы - мы обнаружили, что наша модель не выбрала почти половину запланированных гидроэнергетических проектов", - сказал он. "По сути, инвестировать в эти проекты экономически нецелесообразно".

Команда также запустила модель, которая включала целевой показатель чистой энергии на 80%. В соответствии с этой целью оптимальный портфель позволит сократить выбросы региона в 2020 году вдвое к 2040 году, увеличив затраты всего лишь примерно на 6%, или на 3 доллара за мегаватт-час.

В дополнение к планированию того, как Южная Африка будет вырабатывать электроэнергию, эффективное удовлетворение ее энергетических потребностей потребует международного сотрудничества. "Региональная интеграция является ключом к раскрытию огромного потенциала возобновляемых источников энергии для создания конкурентоспособной по стоимости системы электроснабжения в регионе", - сказал Ндхлукула.

Устойчивый рынок электроэнергии и пропускная способность для его поддержки также будут иметь решающее значение. "Ресурсы ветра и природного газа неравномерно распределены по южной Африке", - сказал Дешмух. "Наличие надежной системы передачи поможет странам торговать и извлекать выгоду из ресурсов друг друга".

К счастью, в регионе уже есть рынок электроэнергии с взаимосвязанными линиями электропередачи в виде САПП. "Это вопрос расширения и масштабирования этого рынка", - сказал Дешмух. Модель предполагает, что этого можно достичь при умеренном увеличении инфраструктуры передачи.

В состав SAPP входят 12 материковых стран, девять из которых на данный момент физически связаны между собой через общую сеть. Подключение Малави будет завершено к 2023 году, и есть планы добавить оставшиеся два: Анголу и Танзанию.

Это первая из четырех статей, подготовленных командой в рамках более масштабного проекта, посвященного энергетическому будущему Южной Африки. В настоящее время они анализируют результаты опроса заинтересованных сторон и политиков, чтобы понять барьеры на пути внедрения возобновляемых источников энергии в регионе. И они изучают возможное воздействие различных возобновляемых источников энергии на биоразнообразие. Наконец, группа планирует оценить, как изменение климата может повлиять на энергетический сектор.

"Этот конкретный документ основан на текущих условиях окружающей среды", - сказал Дешмух. "Следующий документ будет включать в себя влияние изменения климата".