Решат ли дешевые аккумуляторы проблему прерывистой генерации ВИЭ

Не раз встречал такое мнение, что все проблемы ВИЭ — это проблемы накопителей энергии. Вот разовьются литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) и ВИЭ станет дешевым и полезным. Так ли это? Может ли в принципе технология ЛИА решить эту задачу? Чтобы ответить на вопрос из заголовка, давайте поставим небольшой мысленный эксперимент в трех частях и заглянем в статистку Германии, где ВИЭ имеют большую долю мощностей и генерации.

***

Глава 1. Выравнивание генерации внутри дня

Представим себе ситуацию. У нас есть страна, где генерация энергии во многом зависит от ВИЭ. Предположим, что суммарно ВИЭ вырабатывает в день энергии столько, сколько потребляет страна (одно из самых сильных допущений, мы к нему еще вернемся). Но, пики потребления и генерации не совпадают. В солнечные и ветреные часы генерируется много энергии, которую просто некуда девать, но приходит вечер, солнышко садиться, наступает вечерний штиль и энергия в розетках исчезает.

Давайте создадим компанию с каким-нибудь неблагозвучным названием, например, ПСХЭ (Промышленные Системы Хранения Энергии) и начинаем свою деятельность. Перво-наперво договариваемся с владельцами ВИЭ, что в моменты сверхгенерации мы будем, так и быть, мы очень добрые, забирать у них энергию за бесплатно. И они даже согласились, ну реально, некуда им девать эту энергию. А когда ВИЭ будут простаивать, мы будем продавать энергию, предположим, по 25 центов за кВт*ч.

Отлично! Теперь пойдем купим накопитель и начнем делать бизнес. Предположим, мы нашли аккумулятор по цене 120 уе за кВт*ч и прикупили себе мегаваттный блок за 120 000 уе. Производитель уверяет, что 2000 циклов заряд-разряд система работает, отдельные ячейки можно заменять, выход из строя носит вероятностный характер, то есть мы можем предположить, что наши переменные затраты будут 120 000 / 2 000 = 60 уе на один цикл, а год это будет 21 900 уе. А выручка от продажи 1 МВт*ч будет равна 1000 * 0,25 = 250 уе. Получается, если мы заряжаем-разряжаем аккумулятор каждый день, то 250 - 60 = 190 уе в день имеем как с куста! Хотя погодите, есть же и постоянные затраты: аренда земли, коммуникации, охрана и т.д. Предположим, эти затраты составляют 15% от первоначальных инвестиций в год, то есть 18 000 уе.

Всё! Бизнес пошёл! В первый год мы потратили 120 000 инвестиций, 18 000 постоянных затрат и 21 900 переменных затрат. Итого мы потратили в первый год 159 900 уе, а выручку получили по 250 уе за каждый день года = 91 250 уе в год. То есть, первый год «сработали в минус» на 68 650 уе. Зато во второй год мы заработаем на 51 350 уе больше, чем потратим (все еще в минусе на 17 300 уе). А на третий год инвестиции отобьются и мы еще в плюсе останемся на 34 050 уе. И во все последующие года будем чисто зарабатывать по 51 350 уе. Отличный бизнес!

Для тех, кто любит таблички, на рис. 1 приведен бизнес-план (краткое технико-экономическое обоснование).

Рис. 1. Бизнес-план для главы 1

***

Итоги главы 1

Вот мы и добрались до конца главы. Самое время сделать целый ряд оговорок, почему эта красивая схема может не сработать.

1. Ветряная и солнечные генерации имеют стохастический (вероятностный характер). Нет никакой гарантии, что внутри дня будет сгенерировано достаточное количество энергии. Это нас подводит к единственно верному ответу. В этой схеме должен быть "дизель-генератор", который будет отдуваться за все грехи ВИЭ и стоимость этого дизель генератора — это тоже часть стоимости всей энерго-системы в целом.

2. Налоги и многие другие затраты не учтены в этом бизнес-плане. На такой умозрительной схеме можно легко промахнуться с затратами раза в два. И тогда за приемлемый срок (возьмем 7 лет) эта затея не окупается.

3. Если мы возьмем за среднюю цену в России 3 рубля за 1 кВт*ч (0,05 уе), то эта схемы быстро заныривает в минус и никогда оттуда не возвращается. Чтобы вся эта схема работала (окупалась за 7 лет), цена за кВт*ч должна быть выше 0,16 уе за 1 кВт*ч. Примерно 10 рублей.

4. Не учитывались в расчете потери при зарядке и разрядке.

5. Не учитывались в расчете потери на транспортировку энергии «от генерации до накопителя» и «от накопителя до потребителя». Логично предположить, что наличие дополнительного узла в виде накопителя добавляет расходов на транспортировку энергии.

6. Мы не задавались принципиальным вопросом, а при какой цене энергии экономика способна развиваться? Потому как окупаемость этого проекта — это хорошо, но если в целом экономика загибается, то плохие новости неизбежно последуют.

7. Плюс общее соображение. Если бы все было так хорошо, как в нашем бизнес-кейсе, то такие накопители стояли бы на каждом углу, чего мы не наблюдаем. Значит подводные камни точно существуют.

И вместе с тем, аналог таких накопителей существует и активно используется. Это ГАЭС — гидро-аккумулирующие электростанции. Ниже на рис. 2 показан график недельной генерации и потребления в Германии на прошлой неделе. Отлично видна работа ГАЭС по сглаживанию противоречий между генерацией и потреблением в утренние и вечерние часы. Картинка, кстати, говорит еще много о чем, и мы к ней очень скоро вернемся.

Рис. 2. ГАЭС выравнивает баланс внутри суток

Общий вывод — если ЛИА действительно будут улучшать свои технико-экономические характеристики, то могут стать экономически оправданы в странах с высокой стоимостью электроэнергии в качестве альтернативы ГАЭС. 

***

Глава 2. Выравнивание генерации внутри недели

Думаете это все? Проблема решена? А вот и нет. «Стрижка только начата!» (с). Давайте добавим реализма в нашу модель. Рассмотрим недельные циклы.

Рис. 3. Избыточная генерация на выходных и дефицит в рабочие дни

Это график генерации и потребления (черная линия) в Германии на прошлой неделе. Ситуация классическая. Потребление энергии на выходных снижается и генерация превышает спрос.

Отлично! У нас новая бизнес-идея! Будем на выходных заряжать аккумуляторы, а продавать энергию в рабочие дни. Поехали!

Ну, значит так. Тут все тоже самое как и в прежнем примере, но... Циклов заряд-разряд мы успеем сделать только 52 в году... То есть зарабатывать будем не раз в день, а раз в неделю. Ой...

Рис. 4. Бизнес-кейс при недельных циклах не сходится

При таких раскладах, вся эта конструкция будет работать только при цене энергии 0,75 уе за 1 кВт*ч (45 рублей за 1 кВт*ч). При такой цене с экономикой в стране можно будет попрощаться...

***

Глава 3. Выравнивание генерации внутри года

Но и это еще не всё! Что делать с тем, что потребление энергии зимой стабильно превышает потребление энергии летом? В случае Германии это где-то 5-10%. Будем запасать летом и расходовать зимой? Экономику этого плана даже считать не будем... Очевидно, выручка будет в 365 раз ниже, чем в первом случае.

Тут будет уместно добавить пару картинок, которые подсветят еще некоторые особенности электрогенерации на годовом цикле. Чтобы обеспечить баланс, приходится держать мощности в резерве. То есть, у нас есть Установленные Мощности (рис. 5), но мы ими не пользуемся (рис. 6), а это ведет к снижению КИУМ (коэф. использования установленной мощности), что в свою очередь роняет экономику Установленной Мощности и делает энергию дороже.

Рис. 5. Установленная мощность. Германия 2021

Если же посмотреть сколько было сгенерировано энергии за год этими мощностями, то можно видеть, что КИУМ многих мощностей "очень сильно меньше единицы". На картинке 6 сравнивается генерация солнечными электростанциями и АЭС. Помимо этого, обратите внимание на газовую генерацию. Установленные мощности большие, а вклад в общее дело не такой уж и большой. Газ отдувается в первую очередь за вероятностный характер генерации ВИЭ.

Рис. 6. Генерация электроэнергии. Германия 2021

***

ИТОГО

Вернемся еще раз к недельной картинке на рисунке 7. Прекрасно видно, что временами, и солнце, и ветер дают очень мало энергии, практически нулевое. В этот момент трудятся все имеющие маневренные мощности. А в другое время их так много, что приходится маневрировать, и газом, и черным углем, и бурым углем. 

Рис. 7. Дисбалансы генерации и потребления

Выводы напрашиваются очевидные:

1. ВИЭ провоцирует создание больших резервных мощностей с низким КИУМ и, соответственно, с так себе экономикой.

2. Если доля ВИЭ большая, то наличие мощностей слабо пригодных для маневрирования (АЭС, ГЭС, ...) снижает управляемость энергосистемой. Собственно, это ответ на вопрос почему немцы так упрямо зарывают АЭС. Ну не биогаз и ГЭС, в самом деле, им закрывать. А маневрировать надо. То есть, большая доля ВИЭ в генерации подавляет развитие атома и, наоборот, провоцирует рост генерации на ископаемом топливе. 

3. Газ является "главным за маневр". 

4. Угольная генерация никуда не денется. Зимой ей просто нет альтернативы. 

5. И заключительный вывод, как ответ на вопрос в заголовке. Технологии ЛИА близки к тому чтобы помочь сгладить внутридневные пики. Может быть, когда-нибудь аккумуляторы попробуют помочь с неравномерностью внутри недели. Но глупо ждать, что даже в самом отдаленном будущем эта технология сможет справиться с накоплением энергии «в зиму».