Владимир Сидорович: Работа энергосистемы, основанной на ВИЭ, в пасмурную и безветренную погоду

ВИЭ – крупнейший сектор энергетики, мировые инвестиции в возобновляемую энергетику с 2003 года превышают вложения в генерацию на основе углеводородов.

Разумеется, в такой ситуации нет недостатка в научных моделях энергетических систем, работающих с той или иной долей возобновляемых источников энергии.

В то же время до сих пор не всем (и не совсем) понятно, как будет (должна) функционировать энергосистема с большой долей нестабильной генерации на основе солнца и ветра в условиях безветренной пасмурной погоды, с одной стороны, и высокого спроса на электроэнергию, с другой.

В своей недавней статье я разбирал эту тему «в общем». Сегодня поговорим конкретнее с цифрами и графиками, поскольку опубликована очередная новая модель немецкой энергосистемы.

Немецкие аналитики из компании Energy Brainpool взяли наихудшие погодные условия Германии за всю новейшую историю (с точки зрения работы солнечных и ветровых электростанций) и «наложили» на эти условия модельные (будущие) энергетические системы с разной долей ВИЭ. Речь идет о двухнедельном периоде времени в конце января — начале февраля 2006 года, когда практически во всей Европе не было ни солнца, ни ветра.

В энергетике Германии даже появился и используется специальный термин, обозначающий такую погоду – Dunkelflaute («темный штиль»). Если такая погода сочетается с высоким спросом на электроэнергию, ситуацию называют «холодным темным штилем» (kalte Dunkelflaute).

Сначала погоду рассматриваемого неблагоприятного периода 2006 года наложили на реальные условия немецкой энергосистемы прошедшего 2016 г. На приведенном ниже графике зеленая линия обозначает спрос на электроэнергию. Остаточная нагрузка (красная линия) – часть спроса, которая не покрывается солнечной и ветровой энергетикой (их выработка показана ниже абсциссы).

Как вы видите, в течение двух недель «традиционная» генерация должна была бы покрывать практически весь спрос.

На следующем графике показано, насколько сильными могут быть колебания объема выработки от года к году в зависимости от погоды. Здесь вертикальный черный отрезок отображает различие в среднемесячной выработке на основе солнца и ветра энергосистемы 2016, «помещенной» в погодные условия 2006 и 2007 годов, а столбцы – среднюю выработку за период 2006-2016.

В Германии, очевидно, с течением времени будет добавлено существенно больше генерации на основе солнца и ветра, чем есть сегодня. В соответствии с Законом о возобновляемых источниках энергии (EEG) к 2035 году ВИЭ должны обеспечивать 55-60% потребления электроэнергии, а к 2050 г — 80%. И речь идет (будет идти) в первую очередь не о «гибких» мощностях ГЭС или биогазовых электростанций, а именно об обладающих стохастическим характером солнечной и ветровой генерации.

Специалисты Energy Brainpool рассматривают сценарий 69% ВИЭ в 2040 году, накладывая его на те же погодные условия 2006 года. Ситуация выглядит ненамного лучше.

Аналитики отмечают, что в Европе нельзя рассчитывать на импорт ветровой электроэнергии. Континент не слишком велик. Вот снимок одного из дней «темного штиля». Ветра нет нигде.

Каким же образом может обеспечиваться энергоснабжение в течение такого «мрачного» периода времени? Особых секретов нет.

Сначала аналитики берут сценарий развития европейской энергосистемы от немецкого Министерства экономики «Электричество – 2030» («Strom – 2030») и рассматривают два варианта.

1) Относительно гладкое прохождение сложного погодного периода обеспечивается при приблизительно нынешней структуре энергетики (за исключением атомной, срок действия которой в Германии истекает в 2022 году).

2) При отказе от бурого угля к 2030 году (обсуждается в Германии) все обстоит несколько сложнее (график ниже). Потребуется не только дополнительный импорт электроэнергии (розовая область), но и новые «инструменты гибкости» (красная линия). Речь идет, прежде всего, о накопителях, обеспечивающих средне- и долгосрочное хранение энергии. По состоянию технологий на сегодняшний день такие возможности может обеспечить хранение энергии в форме (синтетического) газа, производимого методом электролиза в периоды избыточного производство энергии объектами солнечной и ветровой генерации.

На двух круговых диаграммах справа показана разбивка импорта по источникам энергии и странам.

Следующий сценарий модели: энергосистема 2040 года, на 100% функционирующая на основе ВИЭ. То есть без природного газа и угля. Каким образом такая энергетика сможет пройти через период экстремально мрачной погоды 2006 года?

Сразу следует отметить, что без «гибких» газовых мощностей такая система обойтись не сможет. Мощность установленных газовых (точнее, парогазовых) электростанций в рассматриваемой модели составляет 67 ГВт. Однако, они будут функционировать с небольшой нагрузкой, их рассчитанный на год КИУМ не превысит 20%. При этом, поскольку условием модели является энергоснабжение, на 100% основанное на возобновляемых источниках энергии, работать такие газовые электростанции будут на синтетическом газе, производимом из электроэнергии, вырабатываемой солнечными, ветровыми установками в периоды благоприятной погоды (а также биогазе). Для этого потребуется 42,7 ГВт электролизеров (КИУМ = 28%).

Остальная часть энергосистемы будет представлена солнечными электростанциями (231 ГВт, КИУМ – 12%), материковыми ветровыми электростанциями (190 ГВт, КИУМ – 19%), офшорными ветровыми электростанциями (39 ГВт, КИУМ – 36% — это заниженный показатель, КИУМ строящихся сегодня морских ветроэлектростанций находится в районе 45%), ГЭС (6,5 ГВт), ГАЭС (6,7 ГВт). Кроме того, в систему будут интегрированы 41,9 млн электромобилей (примерно столько, сколько сегодня автомобилей в Германии).

Такая комбинация обеспечит полностью надежное энергоснабжение в условиях длительных периодов плохой погоды, как это показано на рисунке.

Здесь мы пришли к ситуации, которая часто критикуется скептиками.

Для того, чтобы удовлетворить пиковый спрос (скажем, 80-100 ГВт) нужно построить огромные мощности (здесь энергосистема состоит из почти 583 ГВт), которые будут работать с низким КИУМ. Плюс для оказания «системных услуг» задействуются десятки миллионов электромобилей.

На первый взгляд такая конфигурация представляется не слишком рациональной экономически, и даже расточительной. На второй же взгляд все оказывается не так однозначно.

Представьте себе российского ответственного и состоятельного домовладельца. Такой хозяин непременно обзаведется дизельным генератором на случай перебоев энергоснабжения. КИУМ такой генерирующей установки будет, как правило, близким к 0%, и, тем не менее, для владельца данный выбор всегда будет являться рациональным. Другими словами, все дело в целях, которые мы преследуем.

Если рассматривать социум как единого потребителя (заказчика) определенных услуг, требуемых для достижения единых же, общих (скажем, климатических) целей, тогда представленная конфигурация отнюдь не обязательно является неэффективной.

В случае с владельцем индивидуального дизель-генератора зарабатывает производитель оборудования (машиностроение), а потребитель взамен получает (системную) надежность. В случае большой энергосистемы (социума), построенной на основе ВИЭ, происходит практически то же самое.

Есть, однако, существенное отличие. Для домовладельца дизель – единственно возможная (и экономически оптимальная) опция. В большой электроэнергетике системная надежность может обеспечиваться с помощью разной компоновки генерирующих (и не только) устройств.

Раньше (как и сегодня) она обеспечивалась с помощью других средств, которые предполагали потребление ископаемых ресурсов. То есть на бизнес-стороне энергосистемы в её «традиционной» компоновке зарабатывает не только машиностроение, но и а) электроэнергетика, б) поставщики ресурсов (посредников мы здесь в расчет не берем). В «перспективной» энергосистеме, полностью основанной на возобновляемых источниках энергии, очевидно, выпадают сырьевые доходы. Что касается заработков машиностроения и электроэнергетики, то они сохраняются (частично, в рамках новых бизнес-моделей).

А что потребитель? По силам ли ему перенести такую энергетическую трансформацию, оплатить её?

Я здесь не буду верифицировать выкладки немецких специалистов, но они утверждают, что представленная новая конфигурация энергосистемы не ляжет на потребителей тяжким бременем. «Сравнение с нынешней системой показывает, что эта (новая) система является менее дорогостоящей в целом», — говорится в докладе (стр. 23).

Расходы на электролизеры составляют всего 2% годовых затрат. «Расчетная» стоимость электроэнергии в такой энергосистеме, основанной исключительно на ВИЭ составит 5,7 – 9,5 евро-центов за киловатт-час, в зависимости от скорости удешевления технологий генерации. Для сравнения, по расчетам специалистов Energy Brainpool, с учетом нынешних расходов потребителей на поддержку ВИЭ расчетная стоимость электроэнергии сегодня составляет 7 евро-центов за кВт*ч. Однако, в данной цене не учитываются внешние эффекты (экстерналии) существующей энергосистемы, поэтому она не отражает «настоящую стоимость производства электроэнергии».

Таким образом, «климатически-нейтральные технологии могут гарантировать надежное энергоснабжение в условиях «темного штиля» с адекватными затратами», — заключают авторы исследования.

Еще раз подчеркну, что в модели рассматривается абстрактный случай (100% ВИЭ в Германии 2040 г). Немецкий Закон о возобновляемых предписывает 80% долю возобновляемых источников к 2050 г. Другими словами, существующие официальные цели, с учетом выводов исследования, представляются технологически легко- и экономически эффективно достижимыми.