В защиту солнечной и ветряной электрогенерации в единой энергосистеме II

В прошлой статье я сделал оценку пределов рентабельности ветряной и/или солнечной энергии с одновременным  100-процентным резервированием газотурбинными электростанциями.

Удалось показать, что данная схема, несмотря на удвоение капитальных затрат (на возведение ветряной\солнечной (далее будет ВЭС, с СЭС ситуация обстоит аналогично) станции и равной ей по мощности газотурбинной станции), при значения КИУМ ВЭС от 15% и выше, даёт существенную экономию ископаемого топлива (газа) так, что эта экономия начинает оправдывать двойные капитальные вложения.

При этом чем дороже газ, сжигаемый на газотурбинной электростанции, тем экономия больше, тем, соответственно, КИУМ ВЭС может быть меньше, для окупаемости проекта.

При этом себестоимость электроэнергии получается достаточно дорогостоящая.

Например, при стоимости газа (для сжигания в ГТУ) в 387 долларов за тысячу кубометров, и сроком окупаемости 10 лет, стоимость электроэнергии получается около 125 USD/МВт*ч (стоимость капитальных затрат на ГТУ 1000 USD/кВт, КИУМ не менее 0,8).

Для того, чтобы выйти на эту же стоимость электроэнергии, но часть её вырабатывать не на ГТУ, а на  ВЭС, при стоимости капитальных затрат на сооружение ВЭС в 1000 USD/кВт, необходимо, чтобы ВЭС имела долю выработки не менее 15%, оставляя оставшиеся 85% по прежнему на ГТУ.

Также поступили предложения учитывать стоимость капитальных затрат на сооружение ВЭС в 1700 USD/кВт, а цену газа снизить до реальных значений этого года – 190 EUR/тыс м3 (220 USD/тыс м3). При этих условиях равновесная себестоимость электроэнергии получается около 77,5 USD/МВт*ч, а чтобы при меньшей стоимости электроэнергии ВЭС окупилась за те же 10 лет, её доля в выработке должна подняться до доли в 30%.

На ресурсе приводились данные по КИУМ ВЭС Германии около 40%, поэтому видно, что ничего невероятного в этом нет.

Также стоит привести цены на электроэнергию, реализуемые населению и промышленности в Германии, до и после налогообложения:

Промышленность: 5,68 евроцентов без налогов, 10,59 евроцентов с налогами.

Домохозяйства: 11,35 евроцентов без налогов, 24,37 евроцентов с налогами.

Равновесная цена электроэнергии, посчитанной выше при цене газа 387 USD/тыс м3, составляет 10,8 евроцентов/кВт*ч, при цене газа 190 EUR/тыс м3 (220 USD/тыс м3) – 6,7 евроцентов кВт*ч.

Т.е. видно, что даже с такими соотношениями цены на газ и стоимостей ВЭС и ГТУ,  для существующей тарифной сетки себестоимости приемлемы.

Также поступили замечания, резонные, что ГТУ без утилизации энергии отработанного в ней газа в утилизирующем устройстве (в частности, ПТУ) – это чистое разорение, и никто этого не делает.

А раз делают утилизацию, значит стоимость энергии от ГТУ будет дешевле (за счет большей выработки электроэнергии), и ВЭС будет невыгодна.

На самом же деле это означает, что доля выработки ВЭС всего лишь навсего должна быть ещё больше, чем посчитано в примерах выше.  Но по приведенным ценам на электроэнергию понятно, что даже без утилизации, «варварски» используя газ, цены будут в пределах разумных.

На самом деле я сам против «варварского» использования газа, но активно отмахивался от части ПТУ.

А делал я это с тем, чтобы посмотреть, а как решится проблема ВЭС в рамках объединения нескольких стран Евросоюза в единую сеть.

Для этого взял такие страны, как Норвегию, Францию, Германию, и Данию, т.к. она находится на пути перетока энергии между Германией и Норвегией.

От границы Норвегии до границы Франции, по территории Дании и Германии, линии электропередач получаются не длиннее 1500 км, что вполне приемлемо для перетоков электроэнергии без преобразований в постоянный ток и прочую экзотику.

Смысл данного рассмотрения заключается в том, чтобы понять, могут ли данные страны компенсировать слабые места в энергосистемах друг друга таким образом чтобы получить достаточно устойчивую объединенную энергосистему с возможностью эффективно поглотить некоторое количество энергии СЭС и/или ВЭС.

К сожалению, достаточно сложно найти установленные мощности электростанций различного типа в этих странах (за исключением Франции), поэтому если к этому будут замечания, смело можно меня пинать и приводить свои цифры (само собой, с ссылками). Тогда картина может быть отредактирована с учетом поступивших замечаний.

Пока же я изучил около десятка источников по каждой стране, и цифры, используемые в данном расследовании, являются результатом их компиляции.

Итак, приступим.

Для начала нам необходимо определится, какие мощности для указанных стран являются базовыми, а какие – пиковыми.

Данные значения для этих стран я не нашел, поэтому проделал сравнение с… Россией.

А позволило это сделать то соображение, что среднедушевое производство электроэнергии в России и в рассматриваемых странах (кроме Норвегии) находится практически на одном уровне:

Таблица 1. Среднедушевое производство электроэнергии

	МВт*ч/(год*чел)	А
Россия	6,6	100,00%
Франция	6,95	105,30%
Германия	7,05	106,82%
Дания	5,9	89,39%
Норвегия	23	348,48%

В столбике А приведено процентное отличие потребления электроэнергии в рассматриваемых странах, за 100% принят уровень России.

Для полных суток график производства/потребления электроэнергии в России выглядит так:

По графику видно, что нижняя граница мощности (будем её называть базовой) энергосистемы находится на уровне 110 ГВт.

Верхняя граница  (пиковая)– на уровне 135 ГВт.

При населении России в 146 млн человек базовая мощность составляет 0,753 кВт/чел, пиковая мощность – 0,925 кВт/чел.

Все эти вычисления нам нужны, чтобы по аналогии вычислить базовые и пиковые мощности энергосистем рассматриваемых стран:

Таблица 2. Расчет распределения базовой и пиковой мощностей по странам

	Население, млн чел.	МВт*ч/(год*чел)	А	Базовая мощность, ГВт	Пиковая мощность, ГВт
Россия	146	6,6	100,00%	110	135
Франция	67	6,95	105,30%	53	65
Германия	82	7,05	106,82%	66	81
Дания	5,7	5,9	89,39%	3,8	4,7
Норвегия	5,3	23	348,48%	13,9	17,1

Базовая мощность рассчитывается как произведение количества населения на удельную базовую мощность, приходящуюся на человека в России (0,753 кВт/чел) и на корректирующий коэффициент по столбику А.

Соответственно, пиковая мощность - как произведение количества населения на удельную пиковую мощность, приходящуюся на человека в России (0,925 кВт/чел) и на корректирующий коэффициент по столбику А.

В итоге получаем следующее распределение базовых и пиковых мощностей для рассматриваемых стран:

Таблица 3. Распределение базовой и пиковой мощности по странам

	Население, млн чел.	МВт*ч/(год*чел)	А	Базовая мощность, ГВт	Пиковая мощность, ГВт
Франция	67	6,95	105,30%	53	65
Германия	82	7,05	106,82%	66	81
Дания	5,7	5,9	89,39%	3,8	4,7
Норвегия	5,3	23	348,48%	13,9	17,1
			Итого, ГВт	137	168

Далее приведу результат компиляции источников электроэнергии по рассматриваемым странам (без учета ВЭС и СЭС):

Таблица 4. Установленная мощность электростанций по видам генерации, ГВт

	ГЭС	ТЭС	АЭС
Франция	24	18,7	63
Германия	3	30	11
Дания		13
Норвегия	27	1,6
	54	63	74

ТЭС, и АЭС, как правило, используют в качестве базовой нагрузки (по крайней мере это очень желательно).

ГЭС же может работать в качестве маневренной, закрывающие пики потребления.

В типовой энергосистеме как правило, маневренных мощностей не хватает, поэтому стремятся их построить (ГЭС, ГАЭС, ГТУ), либо какую то часть маневренной мощности переложить на ТЭС  и АЭС (в основном французы).

Из приведенных последних двух таблиц (Таблица 3 и Таблица 4) видно, что, в принципе по мощностям Франция самодостаточна: при необходимой базовой мощности в 53 ГВт за счет ТЭС и АЭС она может обеспечить до 81,7 ГВт. Для покрытия пика до значения в 65 ГВт необходима маневренная генерация в 12 ГВт. 24 ГВт, посчитанные для неё – вполне достаточны.

То, что французы продолжают эксперименты с переводом атомных блоков в маневренный режим, говорит о том, что хотя маневренной мощности в виде ГЭС 20 ГВт и хватает для покрытия непродолжительного пика, на то, чтобы вырабатывать эту мощность на протяжении всего времени пика, категорически недостаточно.

Германия за счет ТЭС  и АЭС может обеспечить базовую генерацию в 41 ГВт, при необходимости в 66 ГВт.

Скорее всего, эта недостача связна с выведенными из эксплуатации атомными и угольными станциями, и замещением недостающей мощности импортом и/или другой генерацией (о чем позже). 

При этом в пиковое время мощность энергосистемы Германии должна увеличится на 15 ГВт.

Имеющиеся собственные ГЭС 3 ГВт недостаточно для этого, поэтому надо устанавливать либо ГТУ, либо импортировать электроэнергию в это время.

Для Дании характерна тепловая генерация в размере 13 ГВт, на сегодняшний день это (по оценочным данным в интернете) составляет 2/3 от общей выработки, а оставшиеся 1\3 – за счет ветра и солнца. Тем не менее видно, что тепловая генерация значительно превышает и необходимую базовую мощность, и пиковую.

Поэтому Дания неизбежно должна быть экспортером электроэнергии.

Для Норвегии напротив, характерно очень низкое использование ископаемого топлива (мощность ТЭС 1,6 ГВт).

Практически вся энергия вырабатывается на ГЭС, которые имеют мощность 27 ГВт.

Это значит, что и базовая генерация обеспечивается за счет ГЭС.

 

Из Таблицы 3 видно, что базовая мощность объединенной энергосистемы четырех стран должна составлять 137 ГВт, пиковая мощность – 168 ГВт.

Из Таблицы 4 видно, что что базовая мощность объединенной энергосистемы четырех стран уже обеспечена мощностью 137 ГВт (63 ГВт для ТЭС и 74 ГВт для АЭС), пиковая -мощностью 191 ГВт (+ 54 ГВт за счет ГЭС).

В итоге можно сделать вывод о том, что в объединенной энергосистеме имеется запас по пиковой мощности, которую можно «закрывать» выработкой ГЭС. Так же можно снизить базовую генерацию на ископаемом топливе, переведя часть ГЭС на базовый режим (таким образом экономится топливо).

 

В первой статье я рассматривал закрытие пика за счет ГТУ.

Исходя из проведённого анализа,  видно, что это нецелесообразно т.к. данная задача вполне обеспечивается гидростанциями всех четырех стран.

 

Поэтому, объединяя энергосистемы четырех рассматриваемых стран, энергосистема становится самодостаточной.

Кроме того, до 54 ГВт (сумма установленных гидростанций всех четырех стран) мощности она может безболезненно поглотить от таких непостоянных источников, как ВЭС (СЭС), на время снижая свою выработку, когда есть солнце или ветер (конечно, ветер в непиковое время – ночью, «не нужен»).

Единственная проблема – это мощность ЛЭП, которая должна осуществлять данные перетоки.

И анализ аварийности энергосистем Германии как раз показывает, что в них то и есть проблема.

Поэтому объединение энергосистем вполне позволяет использовать достаточно мощную нетрадиционную генерацию в виде ВЭС или СЭС, что и наблюдается в Европе.