Энергосистема Германии в 2050 году

Ранее я уже начинал писать на тему того, каким образом Германия собирается интегрировать непостоянную энергию солнца и ветра в свою энергосистему, но общей схемы этой трансформированной системы не приводил. Сейчас постараюсь восполнить этот пробел и сформировать целостную картинку. В качестве источника я использую презентацию института Фраунхофера - http://publica.fraunhofer.de/eprints?urn:nbn:de:0011-n-3198705.pdf

Итак, схема энергосистемы Германии в 2050 году:

Посмотреть поближе можно здесь: http://s017.radikal.ru/i428/1504/67/99bfbf52d2cd.jpg

Перед тем как её пристально рассмотреть, сначала разберёмся в том как же немцы пришли к ней?

Правительство Германии поставило цели к 2050 году:

• - Снизить выбросы СО2 минимум на 80% по сравнению с 1990 годом

• - Сократить потребность в первичной энергии на 50%

• - Довести долю возобновляемых источников в первичной энергии до 60%

• - Сократить потребление электричества (за исключением сектора тепла и индивидуального транспорта) на 25% по сравнению с 2008 годом

• - Довести долю возобновляемых источников в производстве электроэнергии до 80%

• - Сократить потребление первичной энергии строениями на 80%

Все эти цели, кроме последней, они ввели в качестве начальных и граничных условий в модель REMod-D, которая представляет собой почасовую симуляцию (в течении одного года) энергосистемы Германии на основе возобновляемых источников.

Так же в качестве начальных условий они взяли:

• - доступная энергия для промышленности останется такой же как в последние 20 лет

• - потребность в транспорте (в этот транспорт не включён электро-ЖД) будет такой же как сейчас; но 30% будет на водороде, 30% на электричестве, 40% на ископаемом топливе и биотопливе (тяжёлый транспорт и авиация))

• - доступная энергия биомассы ограничена 335 TWh

• - Генерация на атоме и нефти отсутствует, генерация на каменном угле 7 GW, на буром угле 3 GW

Оптимизация системы на основе модели происходит так, чтобы годовая стоимость энергосистемы была минимальной.

В качестве результата моделирования должны быть получены

• - установленные мощности источников энергии

• - ёмкости хранилищ электричества и тепла

• - величина, на которую нужно уменьшить потребление тепла зданиями

• - распределение долей различных технологий получения тепла в секторе обогрева зданий

Итак, некоторые полученные результаты:

• - потребление тепла зданиями нужно снизить на 60%, т. е. требуется довольно серьёзная работа в этом направлении

• - достигнуто сокращение выбросов СО2 в полученной системе на 81%

Взглянем на систему более подробно:

• - На красноватом фоне отмечены источники электроэнергии.
• - На жёлтом фоне источники ископаемого, возобновляемого (биомасса) и синтетического (водород) топлива.
• - На зелёном фоне показан сектор транспорта (за исключением электро-ЖД)
• - На сером фоне сектор тепла
• - На фиолетовом фоне сектор промышленности (в части потребности в топливе)
• - ПГУ — парогазовая установка
• - Solartermie — солнечные коллекторы

Доля солнца, ветра и воды в брутто производстве электроэнергии (634 TWh) составляет 77,7% (493 TWh). На долю угольной генерации приходится 6% (38 TWh). Остальная генерация на газу 16% (100 TWh). Т.е. основа генерации это солнце/ветер и газ.

Как же это, чёрт побери, работает?

Когда энергии ветра и солнца недостаточно в действие вступают газовые ТЭЦ, которые производят электричество и тепло. Даже при полном отсутствии солнца и ветра их установленной мощности в 60 GW достаточно, чтобы компенсировать утрату. А есть ещё отдельно стоящие ПГУ 3 GW, угольные электростанции 10 GW, ГЭС - 5 GW. Также есть гидро аккумулирующие электростанции (ГАЭС), которые могут выдать 8 GW на несколько часов. Т.е. существует резерв в 85 GW при пиковой потребности в районе 75 GW.

Если выработка от солнца и ветра превышает классические потребности в электричестве, то ТЭЦ отключаются, а избыток электричества начинает тратиться на электролиз (33 GW), пополнение резервуаров ГАЭС (8 GW). Так же подключаются тепловые насосы, которые компенсируют отключение ТЭЦ в части производства тепла. Начинается зарядка батарей транспорта. И уже когда выработка от ветра и солнца становится совсем запредельной включаются кипятильники и избыточное тепло запасается в централизованных и частных хранилищах.

В упомянутой презентации также приведён график, который получен как разница между графиком классического потребления электричества (без сектора тепла и транспорта) и графиком выработки электричества от солнца и ветра.

Красным обозначен недостаток энергии, который требуется компенсировать с помощью ТЭЦ.

А синим избыток энергии, который требуется утилизировать.

Очень хорошо процесс утилизации избыточной энергии от ветра и солнца показан на следующем графике, который получен сортировкой по убыванию значений с предыдущего графика.

Как видно, наибольший эффект даёт электролиз, кипятильники в хранилищах тепла и зарядка батарей личного транспорта. ГАЭС и стационарные батареи не вносят существенного вклада и выглядят как мёртвому припарка.
Не утилизированной энергии остаётся примерно 10 TWh (см. график). Т.е. теряется 2% от годовой выработки солнца и ветра (при условии отсутствия экспорта). Но скорей всего эту энергию удастся продать за границу.
Интересно так же глянуть на полученное соотношение размеров хранилищ энергии.

• - Стационарные аккумуляторные батареи — лишь 24 GWh (не существует нормальных батарей)
• - ГАЭС — тоже не много: 60 GWh (ограничено ландшафтами Германии)
• - Хранилища тепла — централизованные 346 GWh, индивидуальные 319 GWh
• - Хранилища водорода — недоступны данные
• - Аккумуляторные батареи транспорта — недоступны данные, но можно, наверное, посчитать

Как видно, основную массу энергии собираются складировать в хранилищах тепла.

Интересно сравнить объёмы природного газа и топлива для транспорта в 2050 с сегодняшним потреблением. Согласно отчёту BP в 2013 году потребление природного газа в Германии составило 75 млн. тонн нефтяного эквивалента (MTOE). А потребление природного газа в 2050 году 394 TWh или 34 MTOE. На долю топлива (ископаемое, биотопливо) для транспорта в 2050 году приходится 220 TWh или 19 MTOE. Для сравнения: потребление нефти Германией в 2013 году составило 112 MTOE.

В секторе тепла тоже достаточно много нового появится — это возросшее количество солнечных коллекторов и тепловых насосов.

Соотношение выработки тепла из разных источников (за исключением тепловых процессов в промышленности):

• - Тепловые насосы — 171 TWh (41,8 %)
• - ТЭЦ (мини, средние, крупные) — 73 TWh (17,8 %)
• - Газовые котлы — 71 TWh (17,4 %)
• - Солнечные коллекторы — 62 TWh (15,2 %)
• - Кипятильники — 26 TWh (6,4 %)
• - Геотермальные источники — 6 TWh (1,5 %)

Итого: 409 TWh

Общий баланс первичной энергии:

Доля возобновляемых источников 66% (видимо, они включили биотопливо из столбика Fuel (cars), т. к. по моим подсчётам получается 59%)
Первичная энергия 2050 составляет примерно 50% от сегодняшнего потребления (150 MTOE в 2050 против 325 MTOE в 2013 году. Хотя в эти 325 MTOE входит нефть, которая используется как сырьё). Но эта первичная энергия более качественная чем сейчас, т.к. сразу представлена электричеством! Поэтому, общая эффективность системы возросла, а потери снизились. Из 1740 TWh на полезную работу тратится 1340 TWh (см. правый столбик на графике)

Ежегодная стоимость трансформированной системы в 2050 году и сравнение с 2008 годом:

Ежегодная стоимость трансформированной системы получается примерно такая же как стоимость системы в 2008 году. Всех больше денег потребуют меры по снижению потребления тепла зданиями. По их словам, до 2050 года во время трансформации стоимость системы будет больше, чем в 2008 году, а в долгосрочной перспективе после 2050 года стоимость системы будет даже меньше, чем стоимость старой (из-за увеличения стоимости ископаемого топлива).

Сейчас они находятся в начале фазы 2 перехода к новой системе:

Запасаемся попкорном :-)

А вы как думаете удастся немчуре энергетический переход? Я, думаю, что шансы закончить  фазу 2 (хоть и с опозданием) всё-таки есть. Основные сложности, как мне кажется, присутствуют с установкой ветряков на море, утеплением зданий, электролизом, электромобилями, усилением сетей и превращением их в то, что называется smart grid. Пиковая выработка за 200 GW против сегодняшних 70 GW тоже выглядит устрашающе. Но, как говорится, глаза боятся — руки делают.