The Myth of the German Renewable Energy 'Miracle'

Правда ли, что в Германии энергосети лучше, чем в США, а США должны стремиться повторить успех немецких сетей?

Добавление значительных объемов ветро и солнечной энергии в электрическую сеть значительно понижают надежность на уровне системы генерации и транспортировки, поскольку эти ресурсы являются прерывистыми и, в отличие от других генерирующих ресурсов, они не работают синхронно с сетью. Электрическая сеть представляет собой огромный сложный механизм, в котором  для нормальной работы должно быть правильно взаимоувязанно много факторов. Надежные вращающиеся генераторы, работающие синхронно в единой системе, позволили создать современные энергосети. Без должного учета проблем прерывистости, управления напряжением, регулирования частоты и инерции сетки электрическая сеть не может работать надежно и стабильно. Если развитые страны по-прежнему хотят получать доступное электричество, когда оно требуется и в любом требуемом количестве, эти проблемы должны быть учтены и решены.

В августе 2017 года министерство энергетики США опубликовало отчет о влияние возобновляемых источников энергии на надежность электросетей. В месяцы, предшествовавшие его выпуску, немецкая сеть была представлена как модель, которой США должны подражать. Прежде чем пытаться это сделать, необходимо изучить многие вопросы. Каких уровни прерывистой и асинхронной возобновляемой энергии (солнечной и ветровой) Германия интегрировала в свою электрическую систему? Правда ли, что в Германии есть сеть, которая лучше, чем в США, а США должны стремиться повторить успех немецкой сети? Должны ли США инициировать соответствующее чудо с возобновляемыми источниками энергии? Мы бы утверждали, что возобновляемые источники энергии в Германии имеют не такой уж большой объем, как нас пытаются убедить, что немецкая сеть не превосходит сеть США и что не было никакого чуда, достойного подражания.

Возобновляемые источники энергии в Германии

Хотя в Германии имеется более высокий процент возобновляемых источников энергии, чем в США, этот процент даже близко не приближается к уровню, который преподносится общественности США. Статистика 2016 года показывает, что возобновляемые энергетические ресурсы в виде ветра, офшорного ветра, гидроэлектроэнергии, биомассы, солнечной энергии и отходов обеспечивали 29% электроэнергии Германии в 2016 году, как показано на рисунке 1. [1] При этом ветер и солнечная энергия дает чуть более половины всех возобновляемых источников энергии (17,8% от общего объема энергоресурсов Германии). Уголь в виде каменного и бурого угля обеспечивает 40% энергии, ядерная энергетика чуть более 13%, а природный газ - 12%. Таким образом, традиционные ресурсы в Германии по-прежнему покрывают две трети потребностей страны в электроэнергии.

Рисунок 1 Доля источников энергии в валовом производстве электроэнергии в Германии в 2016 году. Данные (предварительные) AG Energiebilanzen 2017. Производство электроэнергии в TWh

Этот уровень возобновляемых источников энергии находится в пределах того, что, по мнению, Национального лаборатории по возобновляемым источникам энергии (NREL) 2012 года, может быть осуществимо интегрировано в сеть США к 2050 году. В этом исследовании также говорилось, что дополнительные диспетчеризируемые генерирующие мощности должны быть добавлено для балансировки прерывистости, и сама электрическая сеть должна быть намного более гибкой, требующей новых технологических достижений, новых рабочих процедур, других бизнес-моделей и рыночных правил. [2]

Как отмечалось в исследовании NREL 2012, есть и другие проблемы, возникающие по мере увеличения доли возобновляемых источников энергии в сети. В случае Германии, по мере роста доли возобновляемых источников энергии в виде ветра (как на суше, так и на море) и солнечной энергии, увеличились и выбросы углерода в Германии. Это связано с тем, что традиционная генерация должна поддерживаться включенной, чтобы обеспечить надежность сети несмотря на прерывистость ветра и солнечной энергии. Поскольку Германия закрывает свои атомные станции, этой традиционной генерацией все чаще являются угольные станции. Кроме того, солнце и ветер часто работают на максимальной мощности, когда сеть не нуждается в таких объемах энергии, что приводит к избытку электричества в сети, - и толкает рыночную цену энергии к очень низким уровням, и даже отрицательным. [3, 4]

Превосходит ли немецкая сеть по уровню возобновляемой энергетики?

Если кратко, то: нет. В Германии нет независимой автономной высоковольтной сети (системы передачи), а ее сеть является частью европейской взаимосвязанной сети. При оценке влияния надежности, связанного с уровнями проникновения возобновляемых источников энергии, основное внимание следует уделять сравнением энергосистем в целом. Нецелесообразно рассчитывать на общесетевые «достижения» в таком же объеме, какие могут быть достигнуты в отдельном ее «зависимом» сегменте. Немецкая часть сети поддерживается обширными гидроэлектрическими ресурсами в Дании (при. Переводчика: Тут, видимо, ошибка или опечатка и имеется в виду Норвегия напрямую и/или транзитом через Данию) и угольными станциями в Польше. В целом вся взаимосвязанная европейская сеть не имеет такого же уровня проникновения альтернативной энергии, как в немецкой части. . Статистика 2016 года показывает, что 75% генерации в объединенной европейской сети в 2016 году было традиционным топливным и ядерным. Возобновляемые источники энергии во всей европейской сети представлены на 12% гидроэлектроэнергией, 10% ветром и 4% других. [5] Таким образом, Германия полагается на (или «опирается на») обычное «вращающееся оборудование» в соседних странах, чтобы обеспечить непрерывную и надежную работу.

Является ли немецкая сеть более надежной?

Для демонстрации германской сети как более надежной, чем сеть США, обычно используют данные SAIDI (System Average Interruption Duration Index) и SAIFI (System Average Interruption Frequency Index), которые являются данными о системе сбытовых энергосетей. Эти статистические данные измеряют прерывания у конечного потребителя. Однако проблемы с надежностью, связанные с возобновляемыми ресурсами, возникает на уровне магистральной системы. Таким образом, эти статистические данные не показывают, что «немецкая» магистральная сеть более надежна, поскольку они не измеряют надежность этой системы.

Надежность системы генерации и транспортировки зависит от системы передачи, состоящей из мощных высоковольтных магистральных кабелей, которые перемещают энергию на большие расстояния - от генерирующих станций до узловых центров. Диспетчеры постоянно оценивают надежность системы в целом, чтобы предотвратить падение напряжения, нестабильность, каскадные отключения и неконтролируемое разделение. Эти нежелательные условия редки, приводят к блекаутам в больших областях и попадают в национальные и международные новости. Например, северо-восточный блэкаут 2003 года затронул 55 миллионов человек и, по оценкам, вызвал ущерб в размере 6 миллиардов долларов, а также, по меньшей мере, 11 смертей. [6]

Надежность сбытовых энергосетей распределения, например, измеренная SAIDI и SAIFI, сильно отличается от надежности сети в системе магистральной передачи (генерация и транспортировка). Подавляющее большинство отключений клиентов происходит из-за проблем в сбытовых сетях. Эти проблемы являются следствием погодных условий, падающих деревьев, сбоев в работе оборудования, вмешательства животных или людей. Эти незначительные перебои не представляют существенных рисков для обеспечения стабильности сети. Такие сбои создают неудобства для затронутых предприятий, домов и районов, но, как правило, они не связаны с крупными экономическими последствиями и рисками безопасности, связанными с широкомасштабными отключениями сети. Они более типичны для событий, таких как удар молнии, в результате чего дом будет отключенным в течение нескольких часов, автомобиль, врезавшийся в столб, змеи, гнездящиеся на распределительном щите или старый трансформатор. Опираться на такие меры, как SAIDI и SAIFI, чтобы оценить надежность системы в целом - это похоже на оценку основы моста на основе характеристик его ограждений.

В настоящее время отсутствуют инструменты для количественной оценки надежности магистральной системы. Таким образом, сравнение надежности магистральных систем в отдельных странах или континентах не представляется возможным.

Имеет ли Германия превосходящие системы энергосбытового распределения?

Этот вопрос не имеет особого отношения к обсуждению вопроса о том, стала ли Германия чудом возобновляемой энергии или надежна ли ее магистральная система. Однако, поскольку исследования и отчеты об исследованиях, как правило, путают надежность системы передачи (магистральных сетей) с надежностью системы распределения (сбытовых сетей), стоит обратить внимание на этот вопрос. Некоторые сторонники альтернативной энергетики рекламируют стереотипное немецкое инженерное мастерство, чтобы стимулировать усилия в США по внедрению новых возобновляемых источников, а также опровергнуть вопросы надежности, поднимаемые инженерами и диспетчерами коммунальных предприятий США. Признавая, что Германия имеет более низкие показатели отключений, измеренные SAIDI и SAIFI, необходима тщательная оценка, чтобы определить, в какой степени более низкие показатели отключения могут быть связаны с другими факторами. Кроме того, оценка эффективности распределения также должна быть увязана с производимыми затратами.

SAIDI рассчитывается по-разному в разных компаниях, так что сравнение сделать сложно, и для проведения разумных сравнений необходимо провести конкретные контрольные исследования. Однако ясно, что в Германии уровень отключений значительно ниже, чем в США. Но также ясно, что Германия тратит значительно больше средств в расчете на кВтч или нагрузку (кВт), подаваемую на системы передачи и распределения. Немецкие потребители платят около 7 центов за кВтч за услуги транспортировки и распределения, а в США - вдвое меньше. (Немецкие домохозяйства в среднем используют в три раза меньше энергии чем американские.) [7]

Компании в США принимают решения относительно улучшения системы передачи и распределения, балансируя факторы надежности, стоимости и ответственности перед потребителями. Например, одним из способов повышения эффективности SAISI для США является замена устаревающих трансформаторов быстрее, чем требует текущая практика. Однако с этим будут связаны и компромиссы. Очень быстрые замены минимизируют отключения, но будут очень дорогими. Сохранение эксплуатации устаревших трансформаторов сократит затраты и минимизирует экологические последствия, связанные с поставкой и установкой нового оборудования. Учет таких соображений, вероятно, будет значительно отличаться от компании к компании. Варианты политики могут лежать в пределах спектра хорошей инженерной практики, и ни один из них не является объективно более совершенным.

Значительную роль также играют факторы окружающей среды. Отключения в системе распределения не влияют на надежность магистральной системы, как правило, являются локальными - и обычно не имеют серьезных экономических последствий. Поскольку размеры, топография и местоположение Германии значительно отличаются от США, нецелесообразно ожидать, что надежность системы распределения коммунальных услуг в США будет достигать того же уровня. Германия немного меньше, чем штат Монтана с гораздо более высокой плотностью нагрузки, что упрощает предоставление услуг резервного балансирования в сети. Большая часть США имеет на порядок большую активность молний, чем Германия, которая также не испытывает и проблем с ураганами. Кроме того, не факт, что большинство пользователей США, которые, как представляется, больше переживают за величину счетов за электричество, чем немецкие пользователи, хотели бы нести значительно более высокие расходы, чтобы избавиться от периодических сбоев системы распределения.

Учитывая разную ситуацию и подход, вполне ожидаемо, что Германия и США имеют разную статистику сбоев на уровне распределения.

 

Вывод

Существует широко распространенное мнение о том, что Германия продемонстрировала, что большое количество прерывистых возобновляемых источников энергии можно легко интегрировать, не оказывая отрицательного влияния на надежность энергосети. В этой статье отмечается, что такой вывод ничем не подтвержден:

1. Германия имеет не такой уж высокий уровень интегрирования возобновляемых источников энергии, как многие полагают;
2. Германия является составной частью и полагается на более крупную интегрированную сеть, которая в целом содержит еще более низкий объем возобновляемых ресурсов;
3. Германия несет колоссальные затраты на передачу, имеет проблемы надежности и дислокации на рынке, связанные с их усилиями по интеграции возобновляемых источников энергии.

Большая часть этой ошибочной веры была основана на неадекватном сравнении между Германией и США статистических данных об отключениях. Подавляющее большинство отключений, учитывающихся в данных SAIDI, ограничено системой распределения. Улучшение SAIDI (что означает снижение SAIDI) в США не будет способствовать снижению рисков надежности системы передачи. Увеличение асинхронных ресурсов прерывистой генерации увеличит риски надежности сетей (магистральных) и появление таких рисков не будет выявлено посредством мониторинга данных SAIDI в США или Германии. Физические размеры и местоположение Германии также в значительной степени способствуют различиям в статистических данных об отключениях между двумя странами. Наконец, было отмечено, что электрическим компаниям в США, пришлось бы понести значительно большие издержки, чем оправдано приемлемой инженерной практикой, чтобы воспроизвести результаты сетей в Германии.

Надеемся, мы сможем положить конец мифу о том, что Германия продемонстрировала, что более высокие уровни возобновляемых источников энергии могут быть интегрированы в сеть массового распределения, не заботясь о влиянии на надежность сети или воздействие на выбросы. Как мы можем защитить государственную политику от вводящих в заблуждение сравнений и информации? Существует серьезная озабоченность по поводу надежности сети, при этом многие из общественности, прессы и академических учреждений прилагают массу усилий, чтобы отбросить и не замечать эти проблемы. Рассматривая все проблемы, лежащие перед нами, необходимо обеспечить, чтобы планы по развитию сетей США продолжали учитывать факторы экономики, надежности и общественной ответственности.

References:

• 1.  Appunn Kerstine, Felix Bieler, and Julian Wettengel, Clean Energy Wire, “Germany’s  energy consumption and power mix in charts,” https://www.cleanenergywire.org/factsheets/germanys-energy-consumption-a..., August 1, 2017. 
• 2.  Mai, T.; Sandor, D.; Wiser, R.; Schneider, T (2012). Renewable Electricity Futures Study: Executive Summary. NREL/TP-6A20-52409-ES. Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory.
• 3.  Martin, Richard, Germany Runs Up Against Renewable Limits, MIT Technology Review – Sustainable Energy, https://www.technologyreview.com/s/601514/germany-runs-up-against-the-li..., May 24, 2016. 
• 4.  Moore, Stephen and Kathleen Hartnett White, Fueling Freedom:  Exposing the Mad War on Energy, Washington, D.C.:  Regnery Publishing, 2016. 
• 5.  Electricity production and supply statistics, Eurostat Statistics explained, May 2017, http://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php/Electricity_.... 
• 6.  Minkel, J.R., The 2003 Northeast Blackout - Five Years Later:  Tougher regulatory measures are in place, but we’re still a long way from a ‘smart’ power grid”, Scientific American,  https://www.scientificamerican.com/article/2003-blackout-five-years-later/, August 13, 2008. 
• 7.  Clean Energy Wire Fact Sheet, What German households pay for power, https://www.cleanenergywire.org/factsheets/what-german-households-pay-power, February 16, 2017.

 

Авторы: Russ Schussler, Jill S. Tietjen