Энергосистема США находится под угрозой катастрофического сбоя

Будущие системы электроснабжения должны быть более устойчивыми

Длительные отключения в Луизиане в результате урагана Ида являются напоминанием о том, что электросеть должна стать более устойчивой и надёжной, если от нее в будущем будет зависеть ещё больше услуг и потребителей, таких как электромобили.

Система электроснабжения уже непосредственно отвечает за предоставление широкого спектра энергетических услуг в домах, офисах и на заводах, включая отопление помещений, кондиционирование воздуха, охлаждение и приготовление пищи. Сеть также находится в центре совокупности других важнейших систем, включая нефтегазовое обеспечение, водоснабжение и канализацию, транспорт, связь, общественную безопасность и здравоохранение, которые не могут функционировать должным образом без неё.

В будущем энергосеть, вероятно, будет отвечать за предоставление ещё большего количества энергетических услуг, поскольку политики стремятся электрифицировать многие оставшиеся услуги в рамках стратегии достижения чистого нуля выбросов.

Но в спешке с электрификацией всей энергетической системы политики могут непреднамеренно повысить уязвимость экономики и общества в случае длительного отключения электроэнергии на большой территории.

Вместо нескольких тесно связанных, но отдельных систем для электроэнергии, газа, нефти и транспорта, в будущем всё чаще будет существовать только одна очень тесно интегрированная система, имеющая уязвимость к катастрофическим сбоям.

Риск, создаваемый связыванием ранее отдельных систем в центральную систему, подверженную одной общей точке сбоя, понимался на протяжении десятилетий (“Хрупкая энергетика: энергетическая стратегия национальной безопасности“, Ловинс, 1982). В частности, чем более тесно взаимосвязанными становятся системы, тем больше риск того, что непредвиденная проблема в одной части может каскадом пройти через всё целое (“Обычные аварии: жизнь с технологиями высокого риска“, Перроу, 1999).

В настоящее время отключения электроэнергии делают недоступными только некоторые услуги (освещение, электроснабжение), но домохозяйства и предприятия могут воспользоваться другими (газовое отопление, бензиновые транспортные средства). В будущем отключения электроэнергии могут привести к нарушению работы практически всех энергетических служб.

Устойчивость Сети

Директивным органам необходимо будет уделять больше внимания надежности системы электроснабжения, сводя к минимуму риск возникновения отключений, как правило, за счёт обеспечения достаточной выработки электроэнергии и способности системы выдерживать удары. Но даже в хорошо отлаженной системе некоторые отключения неизбежны, поэтому директивным органам также придется уделять больше внимания устойчивости, гарантируя, что в случае сбоя система быстро восстановится и неблагоприятные последствия будут сведены к минимуму.

"Повышение устойчивости национальной системы электроснабжения“ было в центре внимания крупного исследовательского исследования, опубликованного Национальными академиями наук, техники и медицины США в 2017 году.

Исследователи выявили целый ряд угроз, включая кибератаки, засуху, землетрясения, наводнения, ураганы, снежные штормы, ошибки в работе, физические атаки, торнадо, космическую погоду, цунами, извержения вулканов и лесные пожары. Большинство перерывов в электроснабжении, как правило, локализованы, длятся всего несколько часов, и результаты, как правило, неудобны, но не критичны.

Потребители электроэнергии с критическими потребностями, такие как больницы, полицейские участки и атомные электростанции, готовятся к временным перебоям, устанавливая батареи или генераторы на дизельном топливе.

Тем не менее, 1% дизельных генераторов на атомных электростанциях не запускаются при аварии, а 15% выходят из строя после 24 часов непрерывной работы. Больничные генераторы не запускаются в 10% случаев. Домашние генераторы ещё менее надежны.

Но перебои в электроснабжении на больших площадях и в течение длительного времени происходят гораздо чаще, чем предполагает большинство пользователей, и имеют гораздо более серьезные последствия.

Массовые Отключения Света

За последние 40 лет в Северной Америке произошла серия крупных отключений электроэнергии, в результате которых было прервано обслуживание по меньшей мере 10 000 мегаватт абонентской нагрузки, что эквивалентно всей пиковой потребности в электроэнергии в Нью-Йорке.

Основные отключения электроэнергии происходили на Северо-Востоке в августе 2003 года (70 000 МВт потери нагрузки), отключение электроэнергии на Западном побережье в августе 1996 года (33 000 МВт), геомагнитную бурю в Квебеке в марте 1989 года (20 000 МВт), снежный шторм в США/Канаде в январе 1998 года (19 000 МВт) и супер шторм Сэнди в октябре 2012 года (20 000 МВт). После крупномасштабных отключений электроэнергии у многих клиентов электроснабжение было восстановлено в течение нескольких часов, дня или двух, но некоторые клиенты оставались без электричества в течение месяца или дольше.

Во время снежного шторма в январе 1998 года три из четырех основных линий электропередачи в районе Монреаля вышли из строя, и большая часть города потеряла водоснабжение после того, как его фильтровальная и насосные станции были отключены от питания.

Чиновники рассматривали возможность эвакуации города или переселения жителей на такие объекты, как Олимпийский стадион. В течение нескольких недель в цепочках поставок продовольствия, транспорте, связи и других видах экономической деятельности происходили сбои.

В районе южного побережья, который стал известен как “треугольник тьмы”, электричество оставалось отключённым в течение двух-трех недель. Продуктовые магазины не смогли открыться или у них закончились предметы первой необходимости, на заправочных станциях закончилось (или они не могли перекачивать) топливо, а основные транспортные услуги были нестабильными.

За пределами Северной Америки центр города Окленд, Новая Зеландия, потерял почти всю электроэнергию на пять недель летом 1998 года, когда четыре основных кабеля, обслуживающих этот район, вышли из строя один за другим.

Массовые сбои в электросетях являются крайне распространенным явлением и могут оставить сотни тысяч или даже миллионы потребителей без электричества на несколько недель. Последствия станут ещё более серьезными в будущем, если всё больше и больше энергетических услуг будет передаваться из других энергосистем (таких как бензин, дизельное топливо и природный газ) в электрическую сеть.

Поэтому политики, регулирующие органы и коммунальные службы должны сосредоточиться на повышении надежности и устойчивости одновременно с электрификацией и декарбонизацией, чтобы свести к минимуму угрозу катастрофического отказа.

Инвестиции в Электросети

Надёжность и устойчивость - это не одно и то же, хотя они часто тесно связаны, и в исследовании Национальных академий подчёркивается необходимость уделять больше внимания вопросам устойчивости при планировании коммунальных услуг.

Отключения электроэнергии во время большой заморозки в Техасе в феврале 2021 года и на Северо-востоке Соединенных Штатов в августе 2003 года были в основном сбоями в надёжности, вызванными неправильным управлением генерацией. Но ожидаемое длительное отключение электроэнергии в Луизиане и ледяной шторм в Квебеке были в первую очередь сбоями в устойчивости.

Отказы в надёжности и устойчивости являются как низкочастотными, так и с высокой степенью воздействия событиями, которые требуют дорогостоящих инвестиций для уменьшения ожидаемых последствий, что затрудняет создание поддержки.

Повышение устойчивости часто требует укрепления систем передачи и распределения за счёт прокладки проводов под землей, замены деревянных столбов бетонными, укрепления опор, создания запаса трансформаторов и поднятия подстанций над потенциальными уровнями наводнения.

В более общем плане, системы электроснабжения должны обеспечивать достаточную резервную мощность и резервирование оборудования, чтобы сделать их более надёжными и устойчивыми в случае выхода из строя одного или нескольких компонентов.

Разные клиенты могут по-разному оценивать надёжность и устойчивость в зависимости от обстоятельств и продолжительности перерыва в обслуживании, что ещё более затрудняет достижение консенсуса.

Например, больницы и нефтеперерабатывающие заводы могут обеспечить более высокую стоимость бесперебойной работы зимой, чем жилые потребители с резервным генератором. Короткие перерывы могут быть терпимы, в то время как длительные неприемлемы.

Поставщикам электроэнергии часто бывает трудно убедить регулирующие органы и клиентов в необходимости увеличения счетов – за исключением случаев, когда сразу после крупного сбоя может возникнуть узкое окно для обеспечения финансирования изменений.

Но если в электросеть будет перенесено больше энергетических услуг, потребуется гораздо больше инвестиций в её модернизацию, чтобы снизить вероятность сбоев и обеспечить быстрое восстановление обслуживания.

Джон Кемп