Как захомячить халяву (TEC9)

Надо сказать, что народ при советской власти жил небогато. Состояние личной безопасности и обеспеченности по основным, жизненно важным благам, необходимым для выживания людей — сочеталось в СССР с тотальной экономией на всём и на вся, что относилось к предметам советской роскоши.
К коим, в общем-то, относились такие обыденные сейчас вещи, как жевательная резинка, румынская мебель или же венгерский кетчуп.
То, что на Западе можно было приобрести практически «на халяву» — высоко ценилось в Советском Союзе, а то, что СССР производил горами — было нереально вывезти и продать на Запад.
В итоге простой рабочий Днепровского металлургического комбината мог спокойно выложить дорожку к дачному сортиру плитами из чистого никеля, в то время, как проблема трусов (а тем более джинсовой одёжки) — была трудноразрешима и превращалась в увлекательный квест с поисками оного по магазинам, базам, знакомым и друзьям.

Именно о такой ситуации и повествует старый советский анекдот о полёте зарубеж:

Летят советские инженеры на самолёте американской авиакомпании в США. Денег, естественно, почти нет. Стюардесса развозит напитки, сигареты, доходит до них. Инженеры мнутся, ничего не берут, и при этом говорят странные слова: «бабок мало, бабки нужны».
Стюардесса идет к пилоту и рассказывает ему о таком странном поведении русских. Пилот запрашивает землю, чтобы объяснили, в чем дело. Через некоторое время стюардесса снова подходит к бедным советским инженерам и, показывая на свой столик, говорит:
- Халява, плиз!

Вот о халяве мы и поговорим. Ведь основное свойство халявы очень занимательно: она отнюдь не везде халява.
Плиты из чистого никеля для похода по чернозёму к дырке были халявой только при СССР, шампанское и красную икру на халяву дают только в бизнес-классе, бесплатный сыр — только в мышеловке, ну а «халяв» у нас бывает только в шабат.

Ну а халявное, совершенно бесплатное электричество у нас бывает только на вот таких кремниевых «столиках»:



В то время, когда на них совершенно халявно светит Солнце. Иногда — целую неделю. А иногда — и только по субботам. Ну — или по понедельникам. Это — уж как повезёт. Халява ведь!

А это значит, что халяву надо хомячить. То есть — сохранять на будущее.
Ведь многие работники Днепровского металлургического завода потом, в голодные 1990-е годы, когда безопасность и жизненно важные блага внезапно стали стоить на Украине после распада СССР очень дорого, смогли выжить, в том числе и продавая свои сортирные дачные плиты из чистого никеля.

Поэтому — наш разговор о халяве и о хомячках. В смысле — о возобновляемых источниках энергии и об аккумуляторах.


Я думаю, что все, кто достаточно внимательно читал мои предыдущие записи в блоге, понимают, зачем нужна аккумуляция электроэнергии в случае возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Проблема в том, что почти все эти источники выдают мощность в сеть по своему собственному, задаваемому исключительно внешними условиями, графику.
Солнце вряд ли будет светить в полночь, а постоянно дующий в прибрежной полосе бриз — однозначно будет брать перерывы на утренние и вечерние часы, когда градиент температур между морем и сушей будет минимален.

С другой стороны, потребление электроэнергии в рамках любой энергосистемы имеет чётко выраженные утренние и вечерние пики, дневное «плато» на уровне немного ниже утреннего и вечернего пика и ночной минимум потребления.
Форма суточного графика энергосистемы может немного отличаться, в зависимости от доли промышленности, времени года и широты (и связанной с ней средней температуры), но, в целом, ситуация именно такова.

Например, вот суточный график потребления северной и холодной Белоруссии:



А вот эталонный график для большинства американских южных штатов, которые поголовно включают кондиционирование воздуха в офисах, квартирах и торговых центрах в аккурат в послеобеденное время:



Если в условиях Белоруссии мы имеем «двугорбого верблюда» с пиками потребления в промежутках 08:00-10:00 и 18:00-20:00, то в случае США «верблюд» у нас — одногорбый, с чётким пиком потребления в промежутке 14:00-16:00.

Именно в эти моменты с энергетической системой США обычно и происходили, кстати, основные ситуации вида «Боливар не вынесет двоих!». Так, например, знаменитый блэкаут 2003 года, когда без света осталось 50 миллионов человек, случился в промежутке 15:45-16:15 по местному поясному времени, в подобное же, дневное время, произошла и авария 1965 года, когда без света сидело «всего лишь» 25 миллионов людей в США и Канаде.

Причём, надо сказать, что это пример именно системных аварий, когда, казалось бы, сбалансированная и мощная объединённая энергосистема США и Канады рассыпалась в течении буквально получаса, как карточный домик. И происходило это формально из-за сбоев на какой-либо из высоковольтных ЛЭП, но, фактически — из-за того, что никакого запаса по мощности в энергосистеме в тот момент просто не было.

Запас мощности в любой энергосистеме — очень деликатная вещь.
Он, в общем-то, совершенно не приносит ни операторам электростанций, ни сетевикам никаких денег. Для любого бизнесмена, который стремится заработать денег на продаже электроэнергии, держать запас мощности на своих генераторах — это непозволительная роскошь.
Даже в случае гидроэлектростанций (ГЭС), которые легко запасают энергию в естественном «акумуляторе» своих водохранилищ, этот подход означает, что часть их гидроагрегатов просто будет болтаться без дела, не вырабатывая никакой мощности на протяжении большей части операционного времени.


Чиркейская ГЭС — самая высокая арочная плотина в России. Аккумулятор энергии ГЭС — хорошо виден вверху фото.

В случае же ТЭС, да ещё и работающей в рамках парового цикла — вопрос поддержания избыточной мощности, которую можно «забросить» в сеть для компенсации возможного коллапса единой энергосистемы, выглядит и того сложнее.
Всё дело в том, что паровой цикл предусматривает, по сути дела, промежуточную аккумуляцию энергии минерального или биологического топлива в настоящем тепловом аккумуляторе — паровом котле. Те читатели, которые представляют себе паровой котёл современной ТЭС в виде эдакой «скороварки-переростка», немного ошибаются с размерами данного монстра. Вот, как пример, собранный паровой котёл Красноярской ТЭС-3:



Высота данного агрегата — около 78 метров (для наглядности — вот эти два здания в Днепропетровске как раз такой высоты), вес его конструкций (без нагреваемой внутри воды) — около 7000 тонн. Каждый час такой котёл может превратить в пар около 670 тонн подготовленной воды. Этого достаточно лишь на... 208 МВт электрической мощности. Вот такая грустная наглядность в материалоёмкости современных технологий ТЭС парового цикла.
Как вы понимаете, паровые котлы стандартного гигаватного (1000 МВт) блока АЭС несколько больше показанного на фото.

Подготовленный пар, который находится под нужным давлением и при нужной температуре внутри конструкций котла, называется ещё тепловой мощностью в энергосистеме.
Избыточную тепловую мощность, запасённую в котлах ТЭС, тоже можно очень быстро запустить в сеть, если мы хотим обеспечить компенсацию внезапного проседания генерации в результате аварии, быстрого роста потребления или выключения части «непредсказуемых» источников (в основном — это и будут наши ВИЭ).

Именно такие монстры, вместе с простаивающими агрегатами ГЭС, и обеспечивают вам сейчас беспроблемное прохождение пиков суточного потребления. Операторы ГЭС сознательно держат наготове, в остановленном состоянии часть (или даже все) гидроагрегаты, а операторы ТЭС зараннее, за несколько часов (ведь махина парового котла — очень инерционна) — поднимают давление в своих «мегаскороварках» для того, чтобы обеспечить лёгкое и управляемое прохождение пика мощности в энергосистеме — на какой бы промежуток суточного цикла он не приходился и сколько бы энергии не запросила дополнительно энергосистема.

При этом, важно подчеркнуть, что все вопросы простоя агрегатов ГЭС или дополнительного сжигания угля или дров для предварительного аккумулирования тепловой мощности в котлах ТЭС — надо в той или иной мере учитывать в тарифах на отпуск электроэнергии потребителям.
Если, конечно, потребители хотят получать электроэнергию в режиме 24 / 7 / 365.

Но сейчас во многих странах, которые решили, что халява теперь не только по субботам, но и вообще круглый год, такой подход забыли и вовсю педалируют переход на ВИЭ. Что же отвечают на таку инициативу владельцы ТЭС и ГЭС?

К примеру, около двух месяцев назад немецкий энергогигант RWE AG (номер один по объёмам генерации в Германии, играющий к тому же и заметную роль и во всей Европе) предупредил, что намерен сократить свои генерирующие мощности ТЭС (в основном — это газовые и в меньшей степени угольные ТЭС) на целых 6% — в ответ на сокращение спроса на электроэнергию и сильное её удешевление (оптовые цены на электричество сегодня в Германии упали до минимального уровня с 2004 года).
Причиной такого решения стала отчасти больная экономика, но, в большей степени — конкуренция со стороны компаний, эксплуатирующих ветряные и солнечные инсталляции. Причём конкуренция весьма специфическая. В RWE говорят так: многие из обычных электростанций в Европе теперь убыточны — и виновата в этом прежде всего возобновляемая энергия. Схожие трудности испытывает и главный конкурент RWE, гигант E.ON.
Всё дело в том, что немецкий оптовый энергорынок весьма административными мерами был перекошен в сторону максимального благоприятствования продажам возобновляемой электроэнергии: киловатт-часы, полученные из ВИЭ, покупались (и покупаются) на оптовый энергорынок Германии в приоритетном порядке.

Ну а теперь — представьте себе ситуацию простого владельца угольной ТЭС или гидроэлектросанции: первый развёл пары на своей «мегаскороварке», а второй сидит возле водохранилища и ждёт, когда же на пике он сможет наконец-то включить свой простаивающий гидроагрегат.
Причём, заметьте, делают они это хоть и с целью заработать денег на отпуске электроэнергии в сеть, но, в целом — в интересах всего общества. Обеспечивая в сети дополнительную электрическую мощность, которую можно запустить в неё по первому требованию. Обеспечивая скрытый резерв мощностей, который можно практически мгновенно запустить в сеть. По первому зову, так сказать.
А тут, как назло — солнце светит, ветер — дует. Административные правила устанавливают, что рынок обязан покупать электроэнергию именно из этих источников. Халява, плиз!
В итоге — никелевыми плитами выкладывается дорожка к дачному сортиру. «Зелёные» безумно радуются отрицательным тарифам на оптовые поставки электроэнергии.
Идиоты! Такой подход к тарифам просто убивает на корню тех «мастодонтов», на плечах которых и лежит безопасность всей энергосистемы.
Ведь решения RWE и E.ON — это лишь первые ласточки на пути глобальной разбалансировки многих электогенерирующих систем.

Недавно американская Национальная лаборатория по возобновляемой энергии (NREL) выпустила весьма объёмный, обстоятельный доклад по возможным сценариям развития ситуации при увеличении доли возобновляемых источников с непредсказуемым графиком в национальных сетях. NREL трудно обвинить в предвзятости — лаборатория была создана для изучения альтернатив минеральным топливам ещё в 1970-х годах и с тех пор весьма активно копала проблематику именно альтернативных источников.
При желании вы можете изучить данный доклад самостоятельно, но, в целом, выводы его неутешительны: без разумных технологий аккумулирования уже произведенной солнечной и ветровой энергии — уже за отметкой в 33% энергии от ВИЭ в национальной сети нас ждут экспоненциально нарастающие проблемы в секторе ТЭС и ГЭС.
Не говоря уже об АЭС, которые вообще весьма плохо реагируют на быстрое регулирование своей мощности.

И, ещё раз: данный отчёт посчитан для случая США, у которых пик потребления худо-бедно совпадает с пиком выработки солнечных батарей, которые в целом расположены гораздо южнее России, Белоруссии или даже Украины, да ветровые ресурсы которых тоже несравнимо лучше с евразийских.
В случае же России или Украины этот сценарий будет намного печальнее.

Таким образом, можно постулировать, что пока, на существующем уровне технологии, человечеству всё равно надо будет придумывать, как решить проблему запасения энергии, которую наработали ветряки и солнечные батареи — и всё равно на 2/3 зависеть от источников с более-менее управляемым графиком выдачи мощности в сеть.

Что же придумано на сегодняшний момент времени?
Самый простой способ — «примотать синей изолентой» к ветрякам и к солнечным батареям так называемую гидроаккумулирующую электростанцию (ГАЭС). ГАЭС — это просто периодически наполняемый водоём, в который мощные насосы закачивают воду в моменты пика производства электроэнергии на ВИЭ, а потом, в нужное время, выдают в сеть. Как это и делают все уважающие потребителей и коллег по генерации «нормальные» ТЭС и ГЭС.



Проблема с ГАЭС, в общем-то, такая же, как и с ГЭС — для неё критически важно иметь перепад высот.  Иначе запасти энергию в жидкости не получается никак — жидкость практически несжимаема.
Ну и для ГАЭС нужна вода, как таковая. В Сахаре, рядом с солнечными панельками, ГАЭС не поставишь.

Впрочем, даже небольшой водоём ГАЭС может вызвать весьма неадекватную реакцию со стороны местного населения. Если население уже достаточно неадекватно, чтобы надеяться решить за счёт ветряков и солнечных панелей все вопросы генерации электроэнергии. А не треть этих вопросов, как посчитали какие-то «сумасшедшие учОные».

Хотя, конечно, бывают ситуации и похуже (укр.), причём и поближе к нам (рус.).

Мы, однако, сосредоточимся не на идиотах, коих всегда хватает, а на деньгах.
Сколько стоит ГАЭС? И в энергетическом, и в денежном плане?

Во-первых — энергетика. Хорошая ГАЭС сразу же заберёт у вас 20% произведенной энергии (то есть все КПД, EROI и прочие параметры системы с ВИЭ надо умножать на 4/5) а плохая ГАЭС будет есть на своё аккумулирование не меньше 25% произведенной энергии (тут у нас множитель, как понимаете, будет вообще 3/4).
При этом речь идёт не о совершенстве самих гидроагрегатов ГАЭС — за великий инженерный ХХ век их КПД уже давно дошёл до недостижимых для других генераторов отметок в 90-96%. «Хорошую» ГАЭС надо ставить на хорошем же перепаде высот — чтобы минимизировать различные гидравлические потери и качать воду практически вертикально вверх.

Во-вторых: деньги. Само создание водоёма ГАЭС где-либо на равнинной местности вообще очень затратная задача. Хорошо иметь ГАЭС в горах. Правда, в горах плохо жить.

Вот вам объект для осознания. Я его строил (в числе многих других хороших специалистов). Это водохранилище, которое для решения своих проблем с водой для орошения, строит Узбексистан в Ферганской области. Смета данной стройки на момент моего участия в проекте, уверенно карабкалась к цифре в 1 млрд. долларов США.
Объём данного водохранилища — около 300 000 000 м³.

Вот вам и стоимость постройки ГАЭС на плоской равнине, в отсутствие каких-либо гор и ущелий. В стоимость киловатт-часов, произведенных на такой ГАЭС, вы сможете перебить эту цифру сами, по формуле потенциальной энергии воды. Результат вас несколько удивит.
Но для ГАЭС насыпи должны быть повыше (это-то водохранилище — сугубо оросительное), в бюджет надо будет добавить трубы, гидроагрегаты, трансформаторы, генераторы и уйму другого оборудования — так что и 1 млрд. долларов США будет тут скорее очень скромной оценкой «снизу». Так что даже вашу несколько удивительную цифру надо будет увеличить.

А что можно сказать о бюджете ГАЭС в условиях более-менее холмистого рельефа? Например, в сучае Московской области? В принципе, тут тоже есть оценка. Живая и непосредственная, с пылу-с жару. Это Загорская ГАЭС-2.



Всего на цели строительства данной ГАЭС уже потрачено за 7 лет более 61 миллиарда рублей. Ну — или 2 миллиарда долларов.
Общий же бюджет стройки (называемый модным иностранным словом CAPEX) составит, по оценкам самого «РусГидро», около 70 миллиардов рублей (или около 2,2 миллиарда долларов).
Среднегодовая выработка электроэнергии на Загорской ГАЭС-2 составит 1,1 млрд. киловатт-часов.
Если мы хотим окупать CAPEХ, потраченный на постройку ГАЭС хотя бы за 10 лет — то это означает, что каждый киловатт-час аккумуляции на ГАЭС обойдётся нам дополнительно в... 20 американских центов. Ну или — в 6 российских рублей, более принятых в расчётах за электроэнергию в Московской области.
И это — только амортизация наших капитальных вложений в ГАЭС, без каких либо выплат по содержанию станции.
Хотя, к чести ГАЭС, надо сказать, что и через 10, и через 100 лет — она будет нам служить. Так что как вам посчитают эти затраты в тариф — это уже вопрос к «РусГидро». В любом случае — бесплатно это не будет.

Вот такая у нас «дешёвая» аккумуляция на ГАЭС.
А куда бежать? Ведь остальные альтернативы аккумулирования электроэнергии — и того хуже.

Например, немцы, понимая, что куда-то энергию таки надо запасать, предложили перерабатывать её в газ.
В общем, придумали такую весёлую схему, если что:



Ветряки и фотоэлементы качают энергию в электролизёры, те производят водород, из водорода делают метан, метан качают в газовые магистрали, из магистралей запитывают электрогенерацию на газе, газовые турбины комбинированного цикла выдают электричество в сеть.
Тут, как вы понимаете, получается и без водохранилища, и без 70 миллиардов рублей, но система получается ещё более громоздкой и энергоёмкой.
Пока таких систем никто «в железе» не собрал, но энергетические потери такого начинания уже можно предварительно оценить. Грубо, так сказать, «на пальцах», но «пуркуа бы не па?»

Электролизёры имеют КПД 49%
Риформинг водорода в природный газ имеет КПД в 52%
Газовые турбины комбинированного цикла имеюn КПД в 55%
Итого? КПД всего процесса будет... 14%. Впечатлены?

В итоге природный газ надо будет сжечь в той самой, большой, 26-этажной «мегаскороварке», от которой уже не прочь отказаться RWE и E.ON.
Ибо заебало пахать на дядю рентабельность её эксплуатации при текущей тарифной политике просто-таки отрицательная.
Вот такой КПД у ветряка и солнечной батареи. Когда — не сразу в сеть, а в «захомячить».

Разбирать другие, чисто химические способы аккумулирования сколь-либо пристойных объёмов электроэнергии — даже неинтересно.
Ближе всего к чему-то промышленному сейчас подошли серно-натриевые аккумуляторы.



Эти аккумуляторные технологии — пока лучшее, что есть у человечества.
КПД такого аккумулятора — около 87%, в нём нет редких или редкоземельных элементов (натрия и серы у нас, в общем-то, завались), он выдерживает около 2 500 циклов зарядки-разрядки (при работе в суточном графике — около 8 лет), но другие его параметры пока очень далеки от идеала.
Во-первых, его стандартная рабочая температура — от 300 до 350 °C, в силу чего батареи надо изолировать и дополнительно подогревать.
Кроме того — пока не решён вопрос в обеспечении низкой стоимости серно-натриевого аккумулятора.
Японская компания NGK, которая сейчас является лидером в производстве серно-натриевых аккумуляторов, пока не может снизить цену своих аккумуляторных ниже 2100-1800 долларов за киловатт установленной мощности. Конечно же, можно надеяться на инвестиции в R&D и на то, что нам поможет прогресс, никто не останавливает нас от этого.
В случае же, если таковая аккумуляторная система сможет работать, исходя из суточного графика, около 4 часов в сутки, это ожидаемо выводит нас на 10 000 часов работы системы до полной амортизации и на 18-21 цента добавленной стоимости произведенного киловатт-часа только на саму аккумуляторную систему — при текущей стоимости батарей NaS.
Ну — или на те же самые 6 рублей для реалий Московской области.

Готовы хомячить халяву?

Только не надо тут говоить мне: «бабок мало, бабки нужны». На святое прошу, на «зелень».
Начинаем мостить никелевыми плитками дорожку к сортиру — или подождём?