11/01/2022
0Давно, – уже месяц назад, хотел размесить эту статью, но что-то отвлекло… Свой значимости она не потеряла, поэтому, пусть с задержкой, выполняю задуманное. М.П.
На фото: Ветряные турбины и солнечные панели в Баварии, Германия. ФРАНК БИНЕВАЛЬД / LIGHTROCKET ЧЕРЕЗ GETTY IMAGES
Скептики утверждают, что такие возобновляемые источники энергии, как ветер и солнечная энергия, из-за своей изменчивости и нестабильности, не могут быть основой надежной электросети. Однако, распространение возобновляемых источников энергии и новые методы управления и хранения энергии могут привести к созданию их надежной и эффективной сети.
Ветровая и солнечная энергия резко подешевели , а их доля в выработке электроэнергии постоянно растет. Однако скептики продолжают распространять мифы о возобновляемых источниках энергии и базирующихся на них электрических сетях. Их фундаментом является, навязываемое обществу представление о том, что электроснабжение на базе возобновляемой энергии является ненадежным.
Прошлым летом некоторые комментаторы утверждали, что отключения электроэнергии в Калифорнии были вызваны «прерывистостью» возобновляемых источников энергии, тогда как на самом деле основными причинами были сочетание экстремальной жары, вероятно, вызванной изменением климата, неправильного планирования и отсутствие гибких источников генерации и хранения больших объемов электроэнергии.
Прошлой зимой во время резкого похолодания в Техасе губернатор Грег Эббот ошибочно обвинил ветровую и солнечную энергию в массовом отказе энергосистемы штата, который был намного больше, чем в Калифорнии. Фактически, возобновляемые источники энергии в 90 случаях отключений энергии превзошли прогнозы операторов, а в оставшихся отстали от показателей газовых электростанций не более чем на одну пятнадцатую. Главные причины сбоев в поставках электроэнергии в штате были иными. Главные из них: неадекватная защита электростанций от погодных условий и отключение природного газа из-за замерзшего оборудования.
В Европе, характерным примером является Германия, отчасти из-за того, что её энергетическая политика базируется на переходе от ископаемого топлива и ядерной энергии к эффективному использованию возобновляемых источников энергии. Новоизбранное правительство Германии планирует ускорить первое и завершить второе, но некоторые критики предупреждают, что Германия «упирается в ограничения возобновляемых источников энергии».
На самом деле, надежную систему электроснабжения, основанную на возобновляемых источниках энергии, вполне можно поддерживать, используя сочетание разных источников с усовершенствованными методами управления и хранения энергии. Более четкое понимание того, как надежно управлять электроснабжением, имеет жизненно важное значение, поскольку климатические угрозы требуют быстрого перехода к возобновляемым источникам, таким как солнечная энергия и энергия ветра. Этот переход был ускорен резким падением затрат на возобновляемую энергию. По оценкам Bloomberg New Energy Finance, солнечная и ветровая энергия являются самыми дешевыми источниками для 91 процента электроэнергии в мире, — но её сдерживают дезинформация и мифы.
Миф № 1: Сеть, которая все больше зависит от возобновляемых источников энергии, является ненадежной сетью.
Следуя клише: «Мы верим в Бога; все остальные приносят данные», стоит посмотреть статистику надежности сетей в странах с высоким уровнем ВИЭ. Показателем, наиболее часто используемым для описания надежности сети, является средняя продолжительность отключения электроэнергии, с которой сталкивается каждый потребитель в течение года. Этот показатель известен под косноязычным названием «Индекс средней продолжительности перерыва в работе системы» (SAIDI). Судя по нему, Германия, где возобновляемые источники энергии обеспечивают почти половину электроэнергии страны, может похвастаться сетью, которая является одной из самых надежных в Европе и мире. В 2020 году SAIDI в Германии составлял всего 0,25 часа. Только Лихтенштейн (0,08 часа), а также Финляндия и Швейцария (0,2 часа) показали лучшие результаты в Европе, где производство электроэнергии в 2020 году было на 38 процентов возобновляемым.. Такие страны, как Франция (0,35 часа) и Швеция (0,61 часа), которые гораздо больше зависят от ядерной энергетики, по разным причинам показали худшие результаты.
В Соединенных Штатах, где возобновляемые источники энергии и ядерная энергетика обеспечивают примерно по 20 процентов электроэнергии, частота отключений электроэнергии в пять раз превышала показатель Германии — 1,28 часа в 2020 году. вдвое При этом энергосистема Техаса стала более стабильной, поскольку ее ветровая составляющая с 2007 по 2020 год увеличилась в шесть раз. Сегодня Техас вырабатывает больше энергии ветра — около пятой части всей электроэнергии, — чем любой другой штат США.
Миф № 2: Такие страны, как Германия, должны продолжать полагаться на ископаемое топливо для стабилизации сети и резервного копирования энергии ветра и солнца.
Опять же, официальные данные говорят об обратном. В период с 2010 г., за год до аварии на АЭС «Фукусима» в Японии, по 2020 г. производство электроэнергии из ископаемого топлива в Германии сократилось на 130,9 тераватт-часа, а атомной электроэнергии — на 76,3 тераватт-часа. Это было более чем компенсировано увеличением производства за счет возобновляемых источников энергии (149,5 тераватт-часов) и экономией энергии, которая снизила потребление на 38 тераватт-часов в 2019 году, до того, как пандемия также привела к сокращению экономической активности. К 2020 году выбросы парниковых газов в Германии сократились на 42,3 процента по сравнению с уровнем 1990 года, превысив цель в 40 процентов, установленную в 2007 году. Выбросы углекислого газа только в энергетическом секторе снизились с 315 миллионов тонн в 2010 году до 185 миллионов тонн в 2020 году.
Таким образом, по мере того как доля электроэнергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками в Германии, неуклонно росла, надежность ее энергосистемы повышалась, а сжигание угля и выбросы парниковых газов существенно сокращались.
В Японии после расплавления нескольких реакторов на Фукусиме более 40 ядерных реакторов были закрыты навсегда или на неопределенный срок без существенного увеличения выработки электроэнергии на ископаемом топливе или выбросов парниковых газов. Экономия электроэнергии и энергия из возобновляемых источников практически компенсировали все потери.
Миф № 3: Поскольку солнечная и ветровая энергия могут генерироваться только тогда, когда светит солнце или дует ветер, они не могут быть основой сети, которая должна обеспечивать электричеством 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, круглый год.
Хотя производительности возобновляемых источников энергии представляет собой проблему, она не нова и не особенно сложна в решении. Ни одна электростанция любого типа не работает 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году, а эксплуатация сети всегда предполагает постоянное управление изменчивостью спроса. Даже при отсутствии солнечной и ветровой энергии (которые, как правило, надежно работают в разное время суток и в разное время года, что делает перебои менее вероятными), все поставки электроэнергии варьируют.
Сезонные колебания доступности воды, которые все чаще возникают в связи с засухами, снижают выработку электроэнергии плотинами гидроэлектростанций. Атомные станции необходимо останавливать для дозаправки или технического обслуживания, а крупные станции, работающие на ископаемом сырье или атомной энергии обычно выходят из строя примерно в 7-12% случаев, а некоторые и намного дольше. Подача топлива на угольную электростанцию может быть прервана из-за крушения поезда или обрушения моста. Атомная станция или флот могут быть неожиданно остановлены по соображениям безопасности, как это было с крупнейшей станцией в Японии с 2007 по 2009 год. В 2019 году каждая французская атомная станция простаивала в среднем 96,2 дня из-за «плановой» или «вынужденной неготовности». В 2020 году этот показатель вырос до 115,5 дней. В этом году французские атомные электростанции выработали менее 65 процентов электроэнергии, от той которую они теоретически могли бы произвести. Сравнивая ожидаемые показатели с фактическими, можно даже сказать, что атомная энергетика была самым нестабильным источником электроэнергии во Франции в 2020 году.
Факторы, связанные с климатом и погодой, стали причиной многочисленных остановок АЭС, которые за последнее десятилетие участились в семь раз. Даже обычно стабильная ядерная энергия ь может внезапно и надолго исчезнуть, как это было в Японии после аварии на Фукусиме или на северо-востоке США после регионального отключения электроэнергии в 2003 г., которое вызвало внезапные остановки, в результате которых девять реакторов почти не производили энергию в течение нескольких дней и потребовалось две недели, чтобы выйти на исходную производительность.
Таким образом, все источники энергии рано или поздно бывают недоступны. Управление сетью должно учитывать эту реальность так же, как и колебания спроса. Приток большего количества возобновляемой энергии не меняет этой реальности, даже если меняются способы, которыми они справляются с изменчивостью и неопределенностью. Современные сетевые операторы делают акцент на разнообразии и гибкости, а не на номинально стабильных, но менее гибких источниках генерации «базовой нагрузки». Диверсифицированные портфели возобновляемых источников энергии не выходят из строя так массово, надолго и непредсказуемо, как крупные тепловые электростанции. Местные или локальные возобновляемые источники энергии еще более устойчивы, потому что они в значительной степени или полностью обходят сеть, где начинаются почти все перебои в подаче электроэнергии. Современная силовая электроника надежно обеспечивает энергосистему Южной Австралии мощностью в миллиарды ватт только на солнце и ветру в течение нескольких дней подряд, причем без угля, гидро- и атомной энергии и не более чем с 4,4-процентной выработкой природного газа, необходимой в настоящее время для регулирования сети.
Большинство дискуссий о возобновляемых источниках энергии сосредоточено на батареях и других технологиях хранения электроэнергии для смягчения изменчивости. Это неудивительно, поскольку батареи быстро дешевеют и широко используются. В то же время продолжают появляться новые технологии хранения с разнообразными характеристиками; В Глобальной базе данных по хранению энергии Министерства энергетики США перечислены 30 типов, которые уже развернуты или строятся. Между тем, помимо гигантских батарей, существует множество других, менее дорогих безуглеродных способов обращения с энергией из не стабильных возобновляемых источников.
Цель электрической сети состоит не только в передаче и распределении электроэнергии при колебаниях спроса, но и в резервировании нефункционирующих электростанций с работающими, то есть в управлении перебоями традиционных ископаемых и атомных электростанций. Таким же образом, но более легко и часто с меньшими затратами, сеть может быстро компенсировать предсказуемые изменения ветровой и солнечной фотоэлектрической энергии с помощью других возобновляемых источников энергии, энергии взятой в разных местах, или и того, и другого. Делать это стало проще благодаря сегодняшним гораздо более точным методам прогнозирования погоды и скорости ветра, что позволяет лучше прогнозировать и регулировать производство энергии из сильно варьирующих возобновляемых источников энергии.
Помимо гигантских батарей, существует много менее дорогих и безуглеродных способов использования переменных возобновляемых источников энергии.
Прежде всего, это энергоэффективность, которая снижает спрос, особенно в периоды пикового использования. Здания, которые более эффективны, нуждаются в меньшем нагреве или охлаждении и медленнее изменяют свою температуру, поэтому они могут дольше работать за счет собственной тепловой мощности и, таким образом, поддерживать комфорт с меньшими затратами энергии, особенно в периоды пиковой нагрузки.
Второй вариант — гибкость спроса или реагирование на спрос При этом коммунальные предприятия компенсируют затраты потребителям, которые снижают потребление электроэнергии, когда их об этом просят — часто автоматически и незаметно — помогая сбалансировать спрос и предложение. Одно из недавних исследований показало, что в США имеется 200 гигаватт экономически эффективного потенциала гибкости нагрузки, который может быть реализован к 2030 году, если будет активно осуществляться эффективное реагирование на спрос. Действительно, самый большой урок из недавнего дефицита в Калифорнии может заключаться в более глубоком понимании необходимости реагирования на спрос. После проблем, возникших в последние два лета, Комиссия по коммунальным предприятиям Калифорнии учредила Программу аварийного снижения нагрузки, чтобы опираться на предыдущие усилия по реагированию на спрос.
Некоторые данные свидетельствуют о еще большем потенциале: почасовое моделирование энергосистемы Техаса 2050 года показало, что восемь типов реакции спроса могут устранить резкий скачок спроса на электроэнергию ранним вечером, когда мощность солнечной энергии падает, а нагрузка на домохозяйства резко возрастает. Например, доступная в настоящее время технология хранения льда замораживает воду, используя более дешевое электричество и более холодный воздух, обычно ночью, а затем использует лед для охлаждения зданий в жаркие дни. Это снижает потребность в электроэнергии для кондиционирования воздуха и экономит деньги, отчасти потому, что емкость для хранения тепла или охлаждения намного дешевле, чем хранение электроэнергии для их доставки. Точно так же, не меняя схемы вождения, многие электромобили можно разумно заряжать, когда электричество становится более доступным, доступным и возобновляемым.
Третьим вариантом стабилизации энергосистемы по мере роста выработки возобновляемой энергии является разнообразие как по географии, так и по технологиям: наземный ветер, морской ветер, солнечные панели, солнечная тепловая энергия, геотермальная энергия, гидроэнергетика, сжигание муниципальных, промышленных или сельскохозяйственных отходов. Идея проста: если один из этих источников в одном месте не вырабатывает электроэнергию в данный момент времени, велика вероятность, того что другие его заменят.
Наконец, некоторые формы хранения, такие как аккумуляторы для электромобилей, уже сегодня экономичны. Моделирование показывает, что кондиционирование воздуха со льдом в зданиях, а также интеллектуальная зарядка от сети электромобилей, которые припаркованы 96 процентов времени, могут позволить Техасу в 2050 году использовать 100 процентов возобновляемой электроэнергии без необходимости гигантских батарей.
Чтобы выбрать более сложный случай, часто утверждают, что «темная депрессия» европейских зим требует многомесячного хранения аккумуляторов для полностью возобновляемой электрической сети. Тем не менее, ведущие немецкие и бельгийские сетевые операторы считают, что Европе потребуется всего одна-две недели резервного топлива из возобновляемых источников, обеспечивающего всего 6 процентов зимней выработки. Это не такая уж большая проблема.
Суть проста. Электрические сети могут иметь дело с гораздо большими долями возобновляемой энергии при нулевых или скромных затратах, и это было известно довольно давно. Некоторые европейские страны с небольшим количеством гидроэнергетики или без нее уже получают от половины до трех четвертей своей электроэнергии за счет возобновляемых источников энергии с более надежной сетью, чем в США. Пришло время избавиться от мифов.
