Energy Matters: Последняя попытка сказать что-то хорошее о ветряках

Очень полезная (с массой первичных данных) статья с ресурса "Energy Matters", про которую автор сказал так - это моя последняя попытка найти что-то хорошее о ветряной "энергетике".  Статья посвящена разбору оффшорной генерации, где качество генерации как бы наилучшее (с точки зрения графика "пилы"):

Мы неоднократно обсуждали проблемы интеграции "прерывистой ветряной генерации" с энергосистемой, обсуждая преимущественно данные по onshore генерации (на суше).  Пропаганда утверждает, что offshore-генерация (на воде) существенно  менее неустойчива, и потому легче интегрируется. Эта заметка посвящена разбору этого вопроса. Если вкратце, полученный вывод  такой - качестве генерации лучше, но все равно отвратительное и требующее создания либо энергохранилищ, либо резервной генерации.

Начнем с примеров пропаганды, вот две цитаты.

Первая, из отчета опубликованного Ассоциацией ветряной энергетики Европы:

...флуктуации энергии малы по причине постоянной и последовательной природы ветров в оффшорной зоне... Благодаря предсказуемости и надежности, оффшорные ветра лучше, чем ветра на суше, подходят для обеспечения операционного резерва в электросеть. Возможно даже, что оффшорная ветряная энергетика в Германии может сыграть ключевую роль в обеспечении стабильности энергосистемы и баланса... 

Вторая, из отчета института Fraunhofer:

...Оффшорный ветер обеспечит надежность поставок, качество и приемлемую себестоимость в будущих энергосистемах... Ветряки в море могут подавать электричество почти каждый час в году... Технологии, которые могут стабилизировать и сбалансировать генерацию это ключ для эффективности энергосистем, и оффшорные ветряки могут сыграть здесь лидирующую роль.

Заметим, эти исследования не просто утверждают, что интеграция с оффшорными ветряками не будет проблемой. Они идут дальше, и говорят, что это способствует стабилизации.

Проблема с проверкой этих утверждений в том, что не хватает опубликованных данных в разбивке по типам генерации.  Но есть база данных P-F Bach data base, где содержатся почасовые данные оффшорной и оншорной генерации для Дании. В предположении, что эти данные репрезентативны для Северного моря в целом, мы загрузили и проанализировали данные для 2014, 2015 и 2016 годов.

Вот карта, показывающая расположение парков ветряной генерации:

^{Рисунок 1. Расположение оффшорных парков генерации Дании}

Вот график почасового электропотребления Дании:

^{Рисунок 2. Почасовое энергопотребление Дании в 2014-2016}

Следующий график показывает оффшорную и оншорную генерацию в Дании в эти годы.  Как и ожидалось между ними наблюдается приличная корреляция (коэффициент детерминации составляет 0.71 для почасовых данных). Чтобы вывести их на уровень полной электропотребления Дании, добавлено масштабирование - ветряные мощности должны составить примерно 15 гигаватт в оншоре или 9 гигават в оффшоре (учтена разница в утилизации мощностей - 43% в оффшоре и 25% в оншоре):

^{Рисунок 3. Почасовая ветряная генерация, масштабированная чтобы соответствовать полному электропотреблению Дании в 2014-2016 годы}

Даже из графика видно, что оффшорная генерация менее прерывистая, но не очень - коэффициенты вариативности составляют 0.85 для оншорной генерации и 0.67 для оффшора. Кроме того мы видим, что когда ветер умирает в оншоре, он умирает и в оффшоре. Этого уже достаточно, чтобы понять, что оффшорная генерация не решит проблему покрытия спроса в холодные зимние ночи, когда ветра нет.

На следующем графике показан избыток и дефицит генерации - просто вычитаем спрос из ветряной генерации на том уровне, когда совокупная ветряная генерация за период будет равна совокупному потреблению (вариант избыточной генерации не рассматриваем). Чтобы покрыть 100% спроса потребуется создавать хранилища в период профицита и использовать в период дефицита.  Расчеты показывают, что требуемый размер хранилищ  составит 4 терават-час для оншорной генерации и 2.5 терават-час для оффшорной генерации. Хотя оффшорная генерация имеет некоторое преимущество, вопрос чисто академический - Дания неспособна будет создать хранилище столь дикого объема:

^{Рисунок 4. Почасовой профицит / дефицит при совокупной ветряной генерации соответствующей совокупному энергопотреблению Дании в 2014-2016}

Оставшийся вариант - покрывать дефицит резервной генерацией. По сути это единственный на сегодня вариант отработки спроса, когда доля прерывистой генерации высока. Профицит ветряной генерации тогда можно игнорировать, его будет некуда деть, и сосредоточиться на покрытии дефицита. На следующем графике показано, что для оншорной генерации потребуется покрыть резервной генерацией совокупно 34 терават-час, а для оффшорной генерации 29 терават-час.  На пике и для оншора, и для оффшора, потребуется иметь в резерве около 5,700 мегаватт, что и показывает сколько резервной мощности потребуется.  

В процентах от собственной ветряной генерации это составит 66% для оншора и 71% для оффшора, т.е. для 15 гигаватт в оншоре потребуется примерно такой же резерв как для 9 гигаватт в оффшоре.  Если допустить, что стоимость установки ветряка в оффшоре примерно в два раза дороже оншора, никакой особой экономии у оффшорной генерации нет.

^{Рисунок 5. Дефицит спроса, который потребуется покрыть резервной генерацией}

Этот анализ основан на ограниченном массиве данных, но вполне достаточен для того, чтобы показать, что оффшорные ветряки не решают проблему прерывистой генерации, и не внесут улучшений в безопасность. Обратные утверждения следует считать дезинформацией.

И вот последний гвоздь.  График показывающий какой процент ветряков утилизирован в зависимости от текущего спроса на электроэнергию. Видно что на пиковом спросе генерация минимальна - это как раз и есть эффект "холодных безветренных ночей":

^{Рисунок 6. XY-график показывающий процент утилизации ветряной генерации в зависимости от спроса}