На протяжении многих десятилетий термоядерный синтез рекламировался как конечный источник обильного, чистого электричества. Теперь, когда мир сталкивается с необходимостью сокращения выбросов углерода для предотвращения катастрофического изменения климата, превращение коммерческой термоядерной энергии в реальность приобретает новое значение.
В энергосистеме, в которой доминируют низкоуглеродные переменные возобновляемые источники энергии (VRE), такие как солнечная и ветровая энергия, необходимы «твердые» источники электроэнергии, которые будут включаться всякий раз, когда спрос превышает предложение, например, когда солнце не светит или ветер не дует, а системы хранения энергии не справляются с этой задачей. Какова потенциальная роль и ценность термоядерных электростанций (FPP) в такой будущей электроэнергетической системе — системе, которая не только свободна от выбросов углерода , но и способна удовлетворить резко возросший глобальный спрос на электроэнергию, ожидаемый в ближайшие десятилетия?
Работая вместе в течение полутора лет, исследователи MIT Energy Initiative (MITEI) и MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) сотрудничали, чтобы ответить на этот вопрос. Они обнаружили, что в зависимости от его будущей стоимости и производительности, термоядерный синтез может иметь решающее значение для декарбонизации. При некоторых условиях доступность FPP может снизить глобальную стоимость декарбонизации на триллионы долларов.
Более 25 экспертов совместно изучили факторы, которые повлияют на развертывание FPP, включая затраты, климатическую политику, эксплуатационные характеристики и другие факторы. Они представляют свои выводы в новом отчете под названием «Роль термоядерной энергии в декарбонизированной электроэнергетической системе».
«Сейчас во многих кругах наблюдается большой интерес к термоядерной энергетике — от частного сектора до правительства и широкой общественности», — говорит главный исследователь (ПИ) исследования Роберт С. Армстронг, бывший директор MITEI и почетный профессор химической инженерии Chevron. «При проведении этого исследования нашей целью было предоставить сбалансированное, основанное на фактах и аналитическое руководство, которое поможет нам всем понять перспективы термоядерного синтеза в будущем».
Соответственно, исследование использует междисциплинарный подход, который объединяет экономическое моделирование, моделирование электросетей, технико-экономический анализ и многое другое для изучения важных факторов, которые, вероятно, будут определять будущее развертывание и использование энергии термоядерного синтеза. Исследователи из MITEI предоставили возможности моделирования энергетических систем, в то время как участники PSFC предоставили экспертизу в области термоядерного синтеза.
Технологии термоядерного синтеза могут быть доступны в коммерческом масштабе только через десятилетие, поэтому на данный момент подробная технология и стоимость будущих коммерческих FPP неизвестны. В результате исследовательская группа MIT сосредоточилась на определении того, каких уровней стоимости должны достичь термоядерные установки к 2050 году, чтобы добиться сильного проникновения на рынок и внести значительный вклад в декарбонизацию мирового электроснабжения во второй половине века.
Ценность наличия FPP в электросети будет зависеть от того, какие другие варианты доступны, поэтому для проведения анализа исследователям нужны были оценки будущей стоимости и производительности этих вариантов, включая обычные генераторы на ископаемом топливе, атомные электростанции, генераторы VRE и технологии хранения энергии, а также спрос на электроэнергию в конкретных регионах мира. Чтобы найти наиболее надежные данные, они изучили опубликованную литературу, а также результаты предыдущих анализов MITEI и PSFC.
В целом анализ показал, что хотя технологические требования к использованию энергии термоядерного синтеза огромны, столь же огромны и потенциальные экономические и экологические выгоды от добавления этой надежной низкоуглеродной технологии в мировой портфель энергетических возможностей.
Пожалуй, самым примечательным открытием является «общественная ценность» наличия коммерческих FPP.
«Ограничение потепления 1,5 градусами по Цельсию требует, чтобы мир инвестировал в ветровую, солнечную энергию, хранение, сетевую инфраструктуру и все остальное, что необходимо для декарбонизации электроэнергетической системы», — объясняет Рэндалл Филд, исполнительный директор исследования термоядерного синтеза и директор по исследованиям MITEI. «Стоимость этой задачи может быть намного ниже, когда FPP станут доступны в качестве источника чистой, надежной электроэнергии».
Более того, выгода варьируется в зависимости от стоимости FPP. Например, если предположить, что стоимость строительства FPP составит $8000 за киловатт (кВт) в 2050 году и снизится до $4300/кВт в 2100 году, то глобальная стоимость декарбонизации электроэнергии снизится на $3,6 трлн. Если стоимость FPP составит $5600/кВт в 2050 году и снизится до $3000/кВт в 2100 году, то экономия от наличия термоядерных установок составит $8,7 трлн. (Эти расчеты основаны на различиях в мировом валовом внутреннем продукте и предполагают ставку дисконтирования в размере 6 процентов. Недисконтированная стоимость примерно в 20 раз больше.)
Целью других анализов было определение масштаба развертывания по всему миру при выбранных затратах FPP. И снова результаты поразительны. Для сценария глубокой декарбонизации общая глобальная доля производства электроэнергии за счет термоядерного синтеза в 2100 году варьируется от менее 10%, если стоимость термоядерного синтеза высока, до более 50%, если стоимость термоядерного синтеза низкая.
Другие анализы показали, что масштаб и сроки развертывания термоядерной энергетики различаются в разных частях мира. Раннее развертывание термоядерной энергетики можно ожидать в богатых странах, таких как европейские страны и США, которые проводят самую агрессивную политику декарбонизации. Но в некоторых других местах, например, в Индии и на африканском континенте, во второй половине века будет наблюдаться большой рост развертывания термоядерной энергетики из-за значительного увеличения спроса на электроэнергию в этот период.
«В США и Европе объем роста спроса будет низким, поэтому речь пойдет о переходе от грязного топлива к термоядерному синтезу», — объясняет Сергей Пальцев, заместитель директора Центра науки и стратегии устойчивого развития Массачусетского технологического института и старший научный сотрудник MITEI. «Но в Индии и Африке, например, колоссальный рост общего спроса на электроэнергию будет удовлетворяться значительными объемами термоядерного синтеза наряду с другими низкоуглеродными источниками энергии во второй половине века».
Набор анализов, сосредоточенных на девяти субрегионах США, показал, что доступность и стоимость других низкоуглеродных технологий, а также то, насколько жестко ограничиваются выбросы углерода, оказывают существенное влияние на то, как будут развертываться и использоваться FPP. В безуглеродном мире FPP будут иметь наибольшее проникновение в местах с низким разнообразием, мощностью и качеством возобновляемых ресурсов, а ограничения на выбросы углерода будут иметь большое влияние.
Например, в Атлантическом и Юго-восточном субрегионах мало возобновляемых ресурсов. В этих субрегионах ветер может производить лишь малую часть необходимого электричества, даже при максимальном наращивании ветроэнергетики на суше. Таким образом, в этих субрегионах необходим термоядерный синтез, даже когда ограничения по выбросам углерода относительно мягкие, а любые доступные FPP будут работать большую часть времени.
Напротив, Центральный субрегион США имеет прекрасные возобновляемые ресурсы, особенно ветряные. Таким образом, термоядерная энергетика конкурирует в Центральном субрегионе только тогда, когда ограничения на выбросы углерода очень строгие, а FPP обычно будут работать только тогда, когда возобновляемые источники энергии не смогут удовлетворить спрос.
Анализ энергосистемы, обслуживающей штаты Новой Англии, дал удивительно подробные результаты. Используя инструмент моделирования, разработанный в MITEI, команда по термоядерному синтезу исследовала влияние использования различных предположений не только относительно стоимости и пределов выбросов, но даже таких деталей, как потенциальные ограничения землепользования, влияющие на использование конкретных VRE. Этот подход позволил им рассчитать стоимость FPP, при которой начинают устанавливаться термоядерные блоки.
Они также смогли исследовать, как эта «пороговая» стоимость изменилась с изменениями в ограничении выбросов углерода. Метод может даже показать, при какой цене FPP начинают заменять другие конкретные источники генерации. В одном наборе запусков они определили стоимость, при которой FPP начнут заменять плавучую платформу для морского ветра и крышную солнечную энергию.
«Это исследование является важным вкладом в коммерциализацию термоядерного синтеза, поскольку оно предоставляет экономические цели для использования термоядерного синтеза на рынках электроэнергии», — отмечает Деннис Г. Уайт, соруководитель исследования термоядерного синтеза, бывший директор PSFC и профессор инженерии Hitachi America на кафедре ядерной науки и техники. «Оно лучше количественно оценивает технические проектные проблемы для разработчиков термоядерного синтеза в отношении ценообразования, доступности и гибкости для удовлетворения меняющегося спроса в будущем».
Исследователи подчеркивают, что хотя ядерные электростанции включены в анализ, они не проводили «лоб в лоб» сравнения между делением и синтезом, поскольку там слишком много неизвестных. Синтез и ядерное деление являются надежными низкоуглеродными технологиями производства электроэнергии; но в отличие от деления, синтез не использует делящиеся материалы в качестве топлива и не производит долгоживущие отходы ядерного топлива, которые необходимо утилизировать.
В результате нормативные требования к FPP будут сильно отличаться от нормативных требований к сегодняшним атомным электростанциям, но неясно, как именно они будут отличаться. Точно так же будущее общественное восприятие и социальное принятие каждой из этих технологий невозможно спрогнозировать, но они могут оказать существенное влияние на то, какое поколение технологий будет использоваться для удовлетворения будущего спроса.
Результаты исследования несут несколько сообщений о будущем термоядерного синтеза. Например, очевидно, что регулирование может быть потенциально крупным драйвером затрат. Это должно мотивировать термоядерные компании минимизировать свое нормативное и экологическое воздействие в отношении топлива и активированных материалов. Это также должно побудить правительства принять надлежащие и эффективные регуляторные политики, чтобы максимизировать свои возможности использования термоядерной энергии для достижения своих целей по декарбонизации.
Для компаний, разрабатывающих технологии термоядерного синтеза, в отчете четко изложена основная идея исследования: «Если целевые показатели затрат и производительности, указанные в этом отчете, будут достигнуты, наш анализ показывает, что термоядерная энергетика может сыграть важную роль в удовлетворении будущих потребностей в электроэнергии и достижении глобальных целей по нулевому выбросу углерода».
