На линии блог "Наш конечный мир" (aka Гейл "Старушка" Тверберг), на этот раз с исследованием на тему зеленой "энергетики" - академично и педантично, много первички.

---

"Зелень" не способна на полноценное развитие энергосистемы

Многие рассчитывают, что ветряная и солнечная энергетика трансформируют электросети благоприятным образом. Возможно ли это на самом деле? Достижимо ли на самом деле для этих прерывистых источников достичь значительную долю в генерации электроэнергии? Ответ на этот вопрос все сильнее  выглядит так - "нет, себестоимость слишком высока, а возврат на инвестиции слишком мал". Мы уже натыкаемся на проблемы электросетей, несмотря на то, что доля "прерывистых" источников в генерации весьма мала (по данным 2015 года: США - 5.4%, Китай - 3.9%, Германия - 19.5%, Австралия - 6.6%).

После изучения вопроса я пришла к достаточно поразительному выводу - даже если ветряки и солнечные панели будут совершенно бесплатны, особого смысла добавлять их к элекстросетям нет, как минимум до тех пор, пока не созданы гораздо более дешевые и лучшие системы хранения электроэнергии, чем те, что доступны сегодня. Слишком велики затраты помимо создания самих ветряков / панелек. Кроме того, наличие этих прерывистых источников (примечание alexsword - получающих субсидии и потому выступающих на рынке с несправедливо заниженными ценами), разрушает конкуренцию цен и делает цены слишком низкими для прочих поставщиков электроэнергии, работающих на газе или атоме. Поэтому даже малый вклад ветряков и солнца в суммарную генерацию способен привести к бОльшим потерям генерации из других источников.

Политики по всему миру требуют перевод своих стран на возобновляемую энергетику, не особо заморачиваясь анализом, какова цена вопроса и что будет получено в итоге. Есть много примитивных расчетов исследований по вопросу - например, “Life Cycle Assessment” или “Energy Returned on Energy Invested”. Но они упускают факт, что эти прерывистые источники энергии дают энергопоток гораздо более низкого качества, чем требуется электросетям для работы. Также они упускают чрезвычайно важный вопрос стоимости капитала и влияние на цены других энергопродуктов.

Давайте взглянем подробнее на некоторые из вопросов, которые мы встретим при добавлении прерывистых возобновляемых источников к электросетям.

Вопрос 1. Даже на низком уровне проникновения прерывистых источников у электросети возникают проблемы.

В 2015 ветряки и солнечные батареи составили лишь 12.2% электропотребления на Гавайях. Но даже на этом низком уровне, у электросетей возникли настолько серьезные проблемы, что они остановили систему учета суммарного потребления (net metering - дает владельцам домам кредит, когда они отдают электроэнергию в сеть) и постепенно прекращают субсидирование.

Гавайи - это цепь островов, поэтому она не может импортировать электроэнергию, что и подразумевается над картинке под фразой “Generation = Consumption”.

Но и в Калифорнии ситуация не сильно отличается. Она может импортировать электричество, поэтому важно оценить соотношение "прерывистой генерации" к полному электропотреблению. У нее проблемы возникли на уровне 12.3%, что не сильно отличается от Гавайев с их 12.2%.

Поэтому даже с ростом генерации от ветряков и солнца, Калифорния все сильнее зависит от импорта электроэнергии из других штатов.

Вопрос 2. Ограничение в 10-15% на долю прерывистой генерации от электропотребления вероятно вызвано лимитами на оперативные резервы.

Электросети проектируются с оперативным резервами, которые обеспечивают стабильность на случай, если даже большой генерирующий элемент системы (АЭС, к примеру) отключается. обычно эти резервы составляют 10-15%.

Если требуются дополнительные настройки, отключаются какие-то коммерческие потребители, которым дали например скидку за возможность прерывистых поставок. Кроме того, определенные типы электростанций - особенно гидро, газовые или газовые комбинированного цикла, способны быстро наращивать генерацию. 

Теоретически, систему можно сделать более гибкой. Например, добавить больше линий передач на длинную дистанцию, что позволит расширить распределение электроэнергии на более широкую область. Поэтому резерв  в 10-15% можно будет использовать более широко. Другой подход - добавление энергохранилищ, чтобы избыточная энергия могла быть сохранена, пока в ней не возникнет нужды.  Третий подход - "smart grid", которая будет отключать кондиционеры и водонагреватели, когда электричества мало. 

Но все эти меры не очень быстры во внедрении и стоят немало, особенно если сравнивать затраты с достигаемым эффектом - насколько повысится возможная доля прерывистых источников после этих затрат.

Вопрос 3. Если нет других решений для избыточной генерации "прерывистыми" источниками, она не добавляет энергию в энергосистему, а сливает ее впустую.

Перепроизводство электроэнергии стало, например, проблемой в Техасе в 2009, когда примерно 19% его ветряков поработали вхолостую. В то время доля ветряков составляла в Техасе лишь 5%. Сейчас проблема исправлена серией обновлений энергосистемы, которые теперь позволяют обеспечить передачу из западного Техаса в восточный.

В 2015 доля "прерывистых" источников достигла в Техасе 10.1%. В основном это ветряки - солнца там мизер - 0.1%, на графике выше его даже не видно. Так или иначе, они лишь сейчас выходят на уровень операционных резервов в 10-15%, за которым начались проблемы в Калифорнии и на Гавайях.

Согласно оценкам компании, отвечающей за электросеть Калифорнии, если Калифорния достигнет, как планируется, доли возобновляемой энергии в 40% к 2024, очень много энергии будет сливаться впустую, если не принять специальных мер:

 

Вопрос 4. Если посчитать все составляющие себестоимости, включая непрямые, например, затраты на хранение энергии, цена "прерывистой" генерации становится очень высокой.

Если в Европе хотя бы стараются возложить себестоимость электроэнергии на потребителей, то в США стоимость возобновляемой энергии в основном скрыта. Пока это просто скрывать, так как ее доля в генерации США все еще низкая.

Исследование Euan Mearns для Европы показало, что чем выше доля ветряков и солнечной энергии в совокупной генерации, тем выше цена электроэнергии для потребителя:

Пять стран, выделенные красным - имеют серьезные финансовые проблемы. Не исключено, часть из них вызвана как раз ценами на электроэнергию.

США здесь нет, но если бы была, располагались где-то между Чехией и Румынией.

Вопрос 5. Сбытовые компании согласны платить за "прерывистую" электроэнергию очень мало.

Вопрос - как много ценности добавляет "прерывистая" генерация к электросети? Добавление "прерывистой" генерации позволяет сократить закупки углеводородов. Иногда, это позволяет сократить инвестиции в новую генерацию (так как пик солнечной генерации часто приходится на пик потребления кондиционеров).. 

В то же время, добавление "прерывистой" генерации влечет и дополнительные затраты:

• гораздо больше подключений к генерирующим устройствам и затрат на обслуживание
• может оказаться неправильным микс активной и реактивной энергии, источники генерации могут повлечь отклонения от частоты выше, чем разрешает регулятор
• потребуется больше линий электропередач на длинные дистанции (чтобы шире распределять в пиковые периоды генерации или падения спроса, например, на выходных)
• большие потери при передаче
• если будут использованы хранилища для решения проблем выше, то они повлекут как затраты на сами хранилища, так и потери электроэнергии при конвертации
• появление прерывистой генерации ведет к падению оптовых цен на энергию (как обсудим ниже), другие генерирующие компании потребуют компенсаций, либо уйдут с рынка

Суммируя - "прерывистая" генерация даст некоторую экономию на топливе, но в то же время создаст много новых источников расходов. Фактически, сейчас даже не ясно, будут ли выгоды больше затрат.

Согласно исследованию EIA’s 2015 Wind Technologies Market Report, в основном "прерывистая" электроэнергия в США продается в сбытовые компании по долгосрочным контрактам Power Purchase Agreements (PPAs), типичная длительность которых 20 лет. Они ее покупают как  хеджирование от риска удорожания газа в будущем. Согласно отчету, закупочные цены на такую энергию составляют $25-$28 за мегаватт-час, то есть 2.5-2.8 центов за киловатт-час, что крайне дешево.

Вопрос 6. "Прерывистая" электроэнергия часто ведет к отрицательным ценам на оптовом рынке, а также смягчает пики цен при пиковом потреблении. 

В штатах и странах, где разрешено конкурентное ценообразование (в противовес модели, когда цены устанавливает сбытовая компания), оптовые цены на электроэнергию пляшут каждую минуту, в зависимости от спроса и предложения. Когда у "прерывистой" генерации возникает пик, оптовые цены могут стать отрицательными. Вот как это выглядит для Калифорнии (сколько раз возникали отрицательные цены в разбивке по годам и месяцам):

Понятно, что количество периодов с отрицательными ценами увеличивается, чем выше доля "прерывистых" источников. Аналогичные проблемы возникают и в Техасе, и в Европе.

Солнечная энергия кроме того сокращает пиковые дневные цены. Конечно, эти минутные цены не доходят до конечных потребителей, и не отражают их спрос. Вместо этого, они просто означают сокращение средств доступных для других производителей электроэнергии, большинство из которых не могут быстро менять объемы генерации.

На следующей картинке иллюстрация возникающих проблем, подготовленная в исследовании Paul-Frederik Bach, где он сравнивает средние оптовые цена на электроэнергию (линия точками) с ценами для домохозяйств. Прекрасно видно, что если оптовые цены идут вниз, то цены для конечных потребителей растут. Фактически, если бы цены на атомную, газовую и угольную генерацию были бы более справедливыми, цены для конечных потребителей росли бы еще быстрее!

Заметьте, что недавние оптовые цены на электричество в Европе составляют примерно 30 евро за мегаваттчас, а в США $36 за мегаваттчас. Это выше, чем то, что платится по соглашениям PPA в США за "прерывистую" энергию ($25-28).

Проблема в том, что $36 за мегаваттчас слишком мало для почти всех типов генерации. Картинка ниже подготовлена Bloomberg в 2013, то есть не совсем свежая, но она дает понимание проблемы и ее масштабов:

$36 за мегаватт-час гораздо ниже самого низа этого графика. Никакая генерация не будет выгодной при этих ценах. Слишком малый возврат на инвестиции. Мы достигли ситуации, когда электрогенерирующие компании почти всех типов нуждаются в субсидиях. Если они их не получат, кто-то закроется, кто-то прекратит инвестиции, оставляя рынок со все большей долей "прерывистой генерации" и все меньшим объемом резервов.

Аналогичная проблема с падением оптовых цен и необходимостью субсидий замечена и в Калифорнии, и в Техасе.  В начале этой недели и WSJ написал статью про это, но без понимания того, что это проблема, а не желаемый результат.

Вопрос 7. Проблемы с "прерывистой" генерацией имеют место и в других странах.

Германия сейчас мировой лидер по доле "прерывистой" генерации. Она составляла 12.2% в 2012 (это тот уровень когда проблемы начались в Гавайях и Калифорнии) и достигла 19.5% в 2015.

Нет нужды объяснять, что это ведет к частым пикам. Германия решает этот вопрос, сбрасывая избыток генерации в энергосистему ЕС. Польша, Чехия и Голландия уже подали жалобу в ЕС по этому поводу. ЕС решил, что с 2017 странам ЕС (не только Германии) будет запрещено использовать feed-in тарифы (это льготные тарифы, специально для зеленых, форма дотаций), которые создают слишком много преимуществ для прерывистой генерации. Германия пошла даже дальше минимальных требований ЕС в ответ на что, Федерация зеленой энергетики заявила, что Германия "уничтожит индустрию".

В Австралии одна из недавних новостей звучала так "Австралия рассматривает запрет ветряков из-за блекаутов". Дело в том, что в Южной Австралии, закрываются последние угольные электростанции, так как субсидии на ветряки обрушили цены на оптовом рынке электроэнергии. В Австралии пока доля "прерывистой" энергии невысока (6.6% в 2015), но в силу ограничений на энергосети конкретно Южная Австралия получила гораздо более весомую долю.

Китай остановил рассмотрение новых заявок на ветряки в Северном Китае, так как энергосистема не имеет мощностей для транспортировки "прерывистой" энергии в другие районы. Кроме того, большая часть генерации в Китае это уголь, и его тяжело балансировать с ветряками / панелями, так как угольную генерацию тяжело менять быстро и динамично.  Доля ветряков и панелек в Китае невысока (3.9% в 2015), но проблемы с энергосистемой уже возхникли.

Вопрос 8. Объем субсидий на "прерывистую" генерацию очень высок.

Программа возобновляемой энергетики в США состоит из пересекающихся программ уровня страны, штатов и местных программ. Там и льготные тарифы, и требования, и освобождения от налогов, и льготные кредиты. Комбинация сложна и оценить ее, сложив отдельные кусочки, невозможно. Однако по оценкам National Wind Watch Organization можно судить, что ветряки субсидируются на 77%. Если эта оценка верна, инвестор в ветряки должен платить лишь 23% от стоимости проекта.

Есть официальная оценка EIA некоторых типов субсидий (только федеральных) для 2013 года, она составляет $11,3 миллиарда на ветряки и панели вместе. В 2013 было продано 183.3 тераватта солнечной и ветряной генерации по 2.8 цента за киловатт-час. Это значит полный объем продаж составил $5.1 миллиард. Если добавить к этому федеральные субсидии получится $16.4 миллиардов, а субсидии составили 69% этой суммы. К этому нужно добавить еще субсидии от штатов.

Paul-Frederik Bach сделал калькуляцию субсидий для ветряков в Дании. Его выводы были таковы - растет и сумма субсидий, и доля субсидий в полной цене. В 2015 эта доля достигла 66%:

Опять же, эти расчеты не дают полный объем субсидий. Если "зелень" намерена заменить углеводороды, она должна платить налоги, как это делают поставщики углеводородов. Они должны дать "чистую энергию" в систему в том числе путем оплаты налогов на доходы, собственность и т.д. Нынешние расчеты субсидий не принимают во внимание налоговую разницу.

Кроме того, объемы субсидий будут со временем расти, так как энергосистемы будут выходить за пределы операционных резервов, что потребует новых мощностей для покрытия, а также более длинных линий электропередачи, для распределения на более дальние расстояния.  

Начало этого процесса мы уже видим в Европе. Вся выручка "прерывистой" генерации в Европе составила 13,1 миллиардов евро за 2015 год на оптовом рынке. А для дальнейшего развития требуется модернизация энергосистемы ЕС общей стоимостью от 100 до 400 миллиардов евро. Иными словами, затраты на модернизацию превзойдут годовую выручку от генерации от 7.6 до 30.5 раз! Большая часть этого пойдет, скорее всего, в форме новых субсидий, так как срок окупаемости нормальных инвестиций слишком велик. 

Заключение

Похоже мы уже достигаем пределы "прерывистой" генерации. К аналогичным выводам приходят и эксперты EIA. Steve Kean был выбран основным докладчиком на годовой конференции в июле 2016, где он заявил в отношении возобновляемой энергетики следующее: "Вклад возобновляемой энергетики переоценен. Прерывистая генерация не равноценна нормальной. Без кардинальных прорывов в трансформационных технологиях, 100% возобновляемая энергетика невозможна".

И я с этим согласна. Прерывистая генерация не очень ценна. Она может иметь даже отрицательную ценность, если посчитать все составляющие для ее использования.

Все энергопродукты имеют очень разное качество, но прерывистая энергетика качества исключительно низкого. Те расходы, что она создает для системы, покрываются кем-то еще. Это огромная проблема, особенно когда ее уровень проникновения в энергосистемы превышает 10-15% (т.е. уровень операционных резервов), стоимость дальнейшего внедрения резко возрастает. 

Даже если сами ветряки и солнечные панели будут стоить $0, вполне вероятно, что стоимость решения проблем вызываемых прерывистой генераций будет больше, чем получаемые выгоды.  

Ситуация похожа на расклад, когда мы имеем большое количество пьяных шоферов, которые работают на трассе не совсем так, как планируется. Теоретически, их можно дополнить другими водителями (если на трассе достаточно полос для повышения концентрации автомобилей), и получить приемлемую скорость доставки грузов. Но все должны четко понимать ситуацию и требуемые затраты / последствия, перед тем как соглашаться на допуск пьяных водителей к трассе.

Ранее мы обсуждали, что "пик нефти" это не просто "нефть закончилась", а то, что она становится слишком дорогой для того, чтобы экономика могла с ней работать. Экономика не очень хорошо работает, когда стоимость энергопродуктов высока. Ситуация с электрогенерацией такая же. Электричество нам нужно предсказуемое (а не пьяные шофера) и недорогое, если мы хотим нормальную экономику. А если мы тупо продолжим добавлять "прерывистую" генерацию без внимания к этим проблемам, мы имеем риск, что уничтожим всю систему.

ИСТОЧНИК