Работа энергосистемы, основанной на ВИЭ, в пасмурную и безветренную погоду

Владимир Сидорович

16 сентября 2017 г. 17:02:43

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.

Ис­поль­зо­ван­ные ис­точ­ни­ки: Работа энер­го­си­сте­мы, ос­но­ван­ной на ВИЭ, в пас­мур­ную и без­вет­рен­ную погоду

Работа энер­го­си­сте­мы, ос­но­ван­ной на ВИЭ, в пас­мур­ную и без­вет­рен­ную погоду - RenEnМо­де­ли­ро­ва­ние работы энер­го­си­сте­мы, ос­но­ван­ной на ВИЭ, в усло­ви­ях дли­тель­ных пе­ри­о­дов небла­го­при­ят­ной погоды про­из­ве­де­но немец­ки­ми спе­ци­а­ли­ста­ми.Ком­мен­та­рий автора:

Статья просто ве­ли­ко­леп­ная, она с одной сто­ро­ны лу­чит­ся (неоправ­дан­ным) оп­ти­миз­мом о том, как все это будет здо­ро­во в 2040 г.

И од­но­вре­мен­но в ней под­твер­жда­ют­ся те факты, что я об­суж­дал вчера в статье "Ве­ли­кий аль­тер­на­тив­но ода­рен­ный подвиг ав­стра­лий­цев." (https://​aftershock.​news/?​q=comment/​4403947#​comment-​4403947).

То есть сто про­цент­ную га­ран­тию, что рано или поздно вся зе­ле­ная хрень вста­нет, и по­тре­бу­ет­ся спа­се­ние от на­сто­я­щей энер­ге­ти­ки.

Причем читать эту статью нужно в связке с еще одной статье этого же автора, ко­то­рую я сейчас кину. "Слезы на очах..... Вла­ди­мир Си­до­ро­вич: Тя­же­лая судьба га­зо­вой ге­не­ра­ции в Гер­ма­нии" (https://​aftershock.​news/?​q=node/​563407)

Клю­че­вые мо­мен­ты статьи я вы­де­лил в статье жирным шриф­том.:

1)

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).

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

то есть вполне воз­мо­жен даже двух­не­дель­ный период без солнца и ветра, а уж день-другой, сплошь и рядом.

2)

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.

То есть зе­ле­ные бесы из со­сед­них стран не спасут. за спа­се­ние по­бе­гут к нор­маль­ной энер­ге­ти­ки.

3)

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

Как я писал в своей статье, ничего слож­но­го, просто нужно дер­жать га­зо­вую и уголь­ную ге­не­ра­цию в полном объеме воз­мож­но­го по­треб­ле­ния. Кто вот только будет это спон­си­ро­вать.

4)

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).

Вот так вот все просто, если от­ка­зать­ся от угля, то при­хо­дит­ся рас­счи­ты­вать на атом­ные стан­ции фран­цу­зов. (если они у них еще будут к тому вре­ме­ни)

Ве­ли­кий аль­тер­на­тив­но ода­рен­ный подвиг ав­стра­лий­цев. (Тояма То­ка­на­ва)Я думаю, что че­ло­ве­че­ство должно срочно по­ста­вить па­мят­ник ав­стра­лий­ским ба­ра­нам, ко­то­рые при­ня­ли уча­стие в тя­же­лом на­уч­ном экс­пе­ри­мен­те и своим ге­ро­и­че­ским са­мо­по­жерт­во­ва­ни­ем, убе­ди­тель­но до­ка­за­ли невоз­мож­ность со­зда­ния энер­ге­ти­ки страны, ос­но­ван­ной на аль­тер­на­тив­ной ге­не­ра­ции. Для тех, кто не читал ранее мои статьи и ком­мен­та­рии к ним, я по­вто­рю несколь­ко фактов.


Источник








comments powered by HyperComments