Самая важная проблема ВИЭ

Интеграция возобновляемой энергии в электросеть не является проблемой, и это дешевле, чем придерживаться грязных источников энергии.

Мы можем построить надежную сеть 24/365 с использованием угля, газа и атомной энергии; или с ветром, солнечными и другими возобновляемыми источниками. Методы несколько отличаются, но реальная проблема заключается в стоимости. Возобновляемые источники энергии выигрывают как с точки зрения прямых затрат (генерации), так и внешних затрат. Это статья о том, как будет работать 100% возобновляемая сеть, которая будет давать нам, считай, электроэнергию.

Ответы на другие мифы о чистых технологиях см. В разделе «38 развенчанных мифов устойчивости»  (Ваш ресурс № 1) .

Похоже, нефтяные компании в своей “прагматичной” риторике зашли в тупик. В течение многих лет они вообще отрицали какое-либо влияние на климат. Затем, некоторые из них всё-же признали существование влияния, но заявили, что ученые все ещё «не уверены» в действительных причинах этого влияния. Теперь, же они стараются аккуратнее касаться этой темы. 

Иногда то, что в последнее время говорят некоторые нефтяные компании, особенно о «прерывистости в работе возобновляемых источников энергии», может быть не совсем понятно для общественности. «Опасность прерывистости» может быть реальным аргументом только для «нишевого рынка», участники которого в лишь некоторой степени осведомлены о проблемах энергетики, и еще не до конца оценивают реальное положение дел. Это хороший знак. Нефтяные компании, видимо, испытывают недостаток в идеях, чтобы попытаться убедить нас в отсутствии необходимости двигаться в направлении декарбонизации.

Поскольку цены на ветроэнергетику всё больше и больше падают, а цены на солнечные фотоэлектрические системы падают более соблазнительно, крупные нефтяные компании все ещё пытаются замедлить переход на возобновляемые источники энергии, когда даже стоимость природного газа может в скором времени оказаться не конкурентноспособной. «Риск прерывистости» может быть одним из единственных «разумных» аргументов, которые Shell или Conoco всё ещё смогут приводить. И всё же, кого это будет волновать? Вскоре мировой энергетический рынок, ориентируясь на ценовые показатели, может просто сказать нефтяным гигантам: «Честно говоря, нам плевать на этот “риск”».

Короче говоря, пока ветер дует, а свет светит, рынок обязательно решит «проблему прерывистости», если она, конечно, есть.

Итак, насколько непостоянны и ненадежны возобновляемые источники энергии в сравнении с базовыми мощностями, которые сегодня обеспечивается углем, ядерными реакциями или природным газом?

Во-первых, из-за их «эксплуатационной ненадежности» угольные, атомные и установки на природном газе являются очень «прерывистыми» в течение длительных периодов времени, во время планового обслуживания или внеплановых ремонтов; и будучи централизованными электростанциями, их часто приходится полностью отключать для выполнения этих работ, таким образом, они могут не подавать электроэнергию в сеть постоянно. В результате всего этого простоя атомные станции вырабатывают электричество только в 83% времени своей работы; газовые заводы комбинированного цикла – 86%; и угольные ТЭЦ – 88%. 

Атомные станции еще более ненадежны, поскольку многие из них должны быть преждевременно остановлены, и, поскольку в течение их активного жизненного цикла, более четверти из них приходится закрывать на ремонт не менее чем на год или более. Короче говоря, невозобновляемая электростанция с базовой нагрузкой может служить «базовой нагрузкой» для сети только в том случае, если она действительно запущена и работает, и, поскольку в среднем она не подключена к сети около 7 недель в году, более точное название для это может быть «циклически ненадежная, долгосрочная базовая нагрузка». Если мы просто опишем справедливо такую сеть, у неё могут начаться проблемы с инвестициями и продажами.

Таким образом, из-за ненадежности этих базовых станций в долгосрочной перспективе наша античная электрическая сеть всегда должна сохранять достаточный запас энергии сверх того, что необходимо для удовлетворения максимального пикового спроса в июле месяце. Вся эта система представляет собой комично неэластичную, выбрасывающую CO2, экологически необоснованную и неэффективную систему подачи электроэнергии по архаичной сети. 

В недавнем исследовании Synapse Energy утверждала, что будущая высоко возобновляемая электроэнергетическая система, независимо от того, сопровождается ли она новой современной интеллектуальной сетью, может удовлетворять и даже превышать региональный спрос в течение 99% времени, не полагаясь на хранение. Как, возможно, будет выглядеть эта новая система? Насколько надежным это будет в долгосрочной перспективе? И как это решило бы проблему поминутной прерывистости?

Любая система выработки электроэнергии, основанная почти исключительно на возобновляемых источниках энергии, будет опираться как на источники питания с базовой нагрузкой, так и на источники с перебоями. Среди ключевых примеров возобновляемой мощности базовой нагрузки можно выделить, прежде всего, крупные гидроэлектростанции, геотермальные установки и солнечные тепловые электростанции (с расплавленной солью в качестве среды для хранения), в то время как в будущем будут работать биогазовые установки, а также установки с комбинированным циклом. один только биогаз также может быть источником возобновляемой мощности базовой нагрузки, и в то же время может помочь нам восстановить почву и значительно сократить выбросы углерода из навоза, канализации и свалок. Плотины гидроэлектростанций также могут служить ключевым источником базовой энрегонагрузки или надежного резервного источника энергии для сглаживания изменчивости ветра и солнца в электросетях будущего.

В целом, возобновляемая базовая нагрузка более надежна, чем обычная базовая нагрузка в течение своего жизненного цикла. В среднем, для выполнения плановых или внеплановых работ по техническому обслуживанию и ремонту на возобновляемых электростанциях с базовой нагрузкой требуется гораздо меньше времени простоя. Например, солнечные тепловые электростанции работают 98% времени; гидроэлектростанции –95%; а геотермальные растения – 91%. Что касается любых будущих электростанций с комбинированным циклом, работающих исключительно на биогазе, они, как можно предположить, будут иметь более или менее такой же «уровень надежности», что и сегодняшние установки с комбинированным циклом природного газа – около 86%.

Наиболее неустойчивые возобновляемые источники энергии, ветровые и солнечные фотоэлектрические, также являются самыми надежными из всех возобновляемых источников. Они практически не требуют обслуживания и ремонта. Солнечные фотогальванические электростанции способны вырабатывать электроэнергию 98% времени (в северное лето, когда солнце не заходит); ветер способен генерировать электроэнергию 95-98% времени; Более того, в отличие от централизованных возобновляемых установок с базовой нагрузкой, чаще всего только одна солнечная панель или одна ветряная турбина требуют ремонта или технического обслуживания в любое время, а не вся ветровая электростанция или солнечная батарея; таким образом, солнечная батарея или ветряная электростанция могут работать «в рабочем состоянии» во время планового или внепланового технического обслуживания.

Можем ли мы сделать «проблему прерывистости» более или менее неактуальной? И существует ли она вообще? 

Более 200 исследований показали, что не будет никаких серьезных затрат или технических проблем для энергосистемы, пока процентное содержание возобновляемых источников энергии не превысит 30% от общего объема энергии. Многие из этих исследований показывают, что фактический порог намного выше. Между тем, в реальной жизни к 2010 году 4 области в Германии уже полагались на энергию ветра для удовлетворения от 43 до 52% своих потребностей в электроэнергии без каких-либо серьезных кризисов, в то время как недавнее исследование показало, что суперсетка в Европе сможет справляется с 70% долей электрической энергии от ветра, несмотря на её периодичную прерывистость. К чему же вся эта суета?

С одной стороны, скоро на карту будут поставлены триллионы долларов «неактивных активов»: уголь, битуминозные пески, сланцы, арктическая нефть и т. д. Одним из способов радикального сокращения выбросов углерода может быть сохранение этих редких активов в земле, где, например, они могут изучаться палеонтологами.

Является ли «риск прерывистости» настолько незначительным, насколько это может показаться сейчас? 

Хорошей новостью является то, что большинство стратегий, которые нам понадобятся для ее преодоления, уже используются во всем мире:

  1. минимизация спроса на электроэнергию за счет повышения эффективности; 
  2. создание достаточного объема хранения и резервной мощности; 
  3. использование «умной суперсетки» для связи различных возобновляемых источников энергии, которые могут быть широко распространены по ландшафту, при этом для точной настройки используются прогнозирование, реагирование на спрос и управление предложением; 
  4. создание основы для новой системы путем добавления определенного количества новой, возобновляемой мощности базовой нагрузки; 
  5. полагаться на ежедневную, а также сезонную взаимодополняемость энергии ветра и солнца, чтобы сгладить любую оставшуюся изменчивость или периодичность.

Если бы спрос на электроэнергию был минимизирован за счет повышения эффективности, для умной сети было бы меньше киловатт, а также меньше изменчивости, для уравновешивания. Например, в США около 60% электроэнергии, потребляемой промышленностью или используется для питания электродвигателей. В целом, во всей экономике США работает около 3 миллиардов электродвигателей, от вентиляторов и насосов до ноутбуков и принтеров. Если бы им пришлось заменить большинство этих двигателей на наиболее эффективные, новые двигатели с регулируемой скоростью, экономия была бы огромной, а новой сеткой и ее изменчивостью можно было бы легче управлять. Во-вторых, если бы они максимально использовали дневной свет, при переходе на светодиоды и одновременном добавлении датчиков и элементов управления для увеличения или уменьшения количества электрического света в зависимости от количества дневного света в каждой комнате потребность в электричестве резко упадет, и, в соответствии с мнением Мис ван дер Роэ, «Мало может стать Много в новой системе возобновляемой энергии».

Системе, безусловно, потребуется определенное количество резервной мощности, особенно в часы и месяцы пиковой нагрузки. По данным NERC, в США в настоящее время резервная мощность на 23% больше, чем требуется для удовлетворения верхнего предела пикового спроса в июле. Конечно, многое из этого необходимо не из-за пикового спроса, а скорее потому, что нынешняя система США также должна быть в состоянии заменить все ненадежные электростанции, которые отключаются преждевременно или для технического обслуживания и ремонта. В конце концов, сколько резервной мощности понадобится системе, основанной почти исключительно на возобновляемых источниках энергии? Возможно, меньше, чем сейчас. Помните: береговые ветряные электростанции и солнечные батареи надежны или способны работать в 98% случаев. Может ли это иметь все значение?

Национальная энергосистема Великобритании сообщает, что для поддержки 23’700 ГВт/ч системы энергии ветра в Великобритании, когда не было ветра для генерации, потребовалось всего 22 ГВт-ч резервной мощности из ископаемого топлива. Это отчасти потому, что ветер всегда где-то дует – довольно часто, не далеко – и, таким образом, ветровая энергия всегда может быть отправлена ​​оттуда в города, где ветра меньше или вообще нет. То же самое для солнечной энергогенерации. Всегда можно отправить ватты солнечной энергии из солнечного пятна в любой темный уголок страны, «где солнце не светит в данный момент», если существует инфраструктура передачи. 

Опыт Европы показывает, что чем больше ветров и солнечных лучей в различных ландшафтах по всей стране или в соседних странах, чем больше можно предвидеть, сколько энергии будет доступно, тем легче получается балансировать изменчивость или прерывистость. По этой причине в будущем «умной системе», основанной на возобновляемых источниках энергии, может потребоваться даже меньше резервной мощности, чем в настоящее время, а не больше. По крайней мере, так считает доктор философии Synapse Energy Томас Витоло, соавтор недавнего исследования о высокой жизнеспособности возобновляемой электрической системы. Получается, что в свете всего этого серьезность «проблемы прерывистости» систематически преувеличивается многими специалистами в области энергетики и ведущими представителями СМИ? Выходит так.

Было бы все еще лучше, если бы резервная мощность в новой системе была бы также возобновляемой, ведь ГЭС также оказывают влияние на экологию и природный ландшафт.

Что с хранением?

Нефтяные компании, такие как Shell, настаивают на том, что высокая стоимость хранения аккумуляторов остается препятствием для внедрения возобновляемых источников энергии в больших масштабах. Это, конечно, бессмыслица, учитывая, что к 2010 году в некоторых районах Германии ветер обеспечивает от 43 до 52% годового потребления электроэнергии, при минимальных емкостях батарей. Итак, что если бы мы каким-то образом приобрели больше аккумуляторов, чем нам когда-либо понадобится через заднюю дверь? Это действительно может скоро случиться. Хранение “в сети”, или V2G, находится в стадии разработки и, вероятно, в какой-то момент станет основным. По одному оптимистичному сценарию, почти четверть автомобильного парка США, уже будет электрифицирована к 2030 году. Объем хранилища в одних только этих автомобилях обеспечит сетке огромный объем быстроразвивающейся емкости хранения, намного превышающей любые ее потребности. Более того, В новых ветряных турбинах GE «Brilliant» уже достаточно аккумуляторов, чтобы сгладить локальную изменчивость энергии ветра, генерируемой на ветровых электростанциях коммунального масштаба.

И, тем не менее, несмотря на все это, идея о том, что потребуется много новых дополнительных хранилищ, чтобы компенсировать прерывистость возобновляемых источников энергии, кажется одним из мифов устойчивости. Хорошей новостью является то, что на практике он уже разрушается в Испании, Дании, Германии и Португалии.

Мало того, что решения, необходимые для удаления каких-либо “энергопробелов” в сетке с высокой степенью возобновляемости, уже внедрены, удивительное число перспективных новых технологий хранения. Один пример (которому уже 8 лет): недорогая расплавленная соль, как универсальная среда для хранения. Разумеется, она уже используется в качестве средства хранения энергии на солнечных тепловых электростанциях в Испании и других местах, позволяя некоторым из них генерировать любое количество электроэнергии, которое может понадобиться в режиме 24/7. В то же время, имея в виду более широкое применение, ряд компаний и исследователей усердно работают, пытаясь понять, можно ли использовать расплавленную соль в качестве эффективного носителя для хранения всех других видов возобновляемой энергии. Прелесть в том, что по прошествии целого дня расплавленная соль в своем сильно изолированном контейнере теряет только 1% тепла, которое она поглощала днем ​​ранее. Хорошая работа для маленького вундеркинда.

Взаимодополняемость ветра и солнца – ещё один козырь возобновляемой энергосети. Естественный «балансирование» ветра и солнца поможет ограничить влияние изменчивости и прерывистости.

В целом, ветряные электростанции генерируют больше энергии ночью, в то время как солнечные батареи вырабатывают энергию только днем. Довольно часто поздним утром, когда ветер постепенно стихает, солнце поднимается выше, и начинает давать достаточно энергии; в то время как ближе к вечеру, когда солнце спускается в небо понемногу и дает нам меньше солнечной энергии, ветер часто поднимается и, таким образом, вращает турбины со всё больше возрастающей скоростью. Более того, когда в дневное время ветер полностью стихает, солнце часто светит ярче.

Кажется, что солнце и ветер необычайно гармоничны: обычно они дополняют друг друга.

Эта ежедневная взаимодополняемость ветра и солнечной энергии затем поддерживается высокой степенью сезонной взаимодополняемости: в целом, несмотря на любые колебания от региона к региону, солнце светит ярче летом, в то время как ветер дует чаще и сильнее зимой. В течение весны и осени, солнце и ветер, в некотором смысле, «встречаются»: когда солнце начинает терять свой блеск осенью, ветер поднимается; и когда ветер начинает стихать весной или поздней весной, солнце светит ярче. В общем, солнце и ветер, кажется, невольно «созданы друг для друга», по крайней мере, в отношении будущей возобновляемой сети. Как будто по замыслу.

В будущем новая интеллектуальная суперсетка будет контролировать, согласовывать и калибровать всю возобновляемую систему с ее сниженным спросом, сочетанием ресурсов хранения и резервной мощности, возобновляемой базовой нагрузкой, распределенной мощностью и дополнительными источниками энергии. 

Изменчивость и прерывистость будут происходить только на местном уровне, где, однако, ветряные турбины будут использовать свои собственные аккумуляторные батареи для сглаживания различий, а солнечные панели будут использовать микроинверторы и трекеры питания для максимизации производительности. На уровне всей суперсети изменчивость и прерывистость практически исчезнут, поскольку интеллектуальные связи в энергосети позволяют ей переназначать мощность, чтобы согласовать спрос и предложение, в то же время уменьшая изменчивость обоих. Система сможет прогнозировать погоду с необходимой точностью, пересматривать прогнозы каждую минуту, заранее планировать, где требуется мощность, непрерывно калибровать и почти всегда выигрывать игру, если не произойдет солнечная вспышка или 30-футовое цунами, которое может перехитрить её.

В умной суперсети будущего реакция спроса будет намного умнее, и это значительно упростит добавление некоторого количества ветра и солнца к смеси энергии.

С другой стороны уравнения есть «системы управления поставками». Например, WEMS, или системы управления ветровой энергией, теперь могут контролировать ряд ветряных электростанций в региональном или национальном ландшафте в режиме реального времени, выравнивая напряжение каждую секунду и ​​планируя технические обслуживания и ремонт. То же самое можно сделать, что неудивительно, для солнечных батарей на крышах и в коммунальном масштабе, а также для всего ассортимента возобновляемых источников энергии, старых и новых, так что часть национальной поставки электроэнергии может либо оставаться в качестве резерва, либо увеличиваться или уменьшаться по необходимости без заминки. Открытие «Общенационального управления энергопоставками» в эпоху цифровых технологий может занять совсем немного времени. Осталось только дождаться прибытия суперсетки.

Сочетание сниженного спроса за счет эффективности, резервного энергопотребления и хранения, возобновляемой базовой нагрузки и взаимодополняемости ветровой и солнечной энергии позволит новой общенациональной сети перехитрить судьбу и избежать прерывистости. Поскольку система будет прогнозировать погоду, предсказывать и сводить к минимуму спрос и распределять энергоснабжение по мере необходимости, интеллектуальная сеть будет выигрывать каждую минуту или почти всегда; или, по крайней мере, гораздо чаще, чем мастера нашей причудливой, «современной» античной энергосети, с ее широкомасштабными «затмнениями», веерными отключениями и повторяющимися провалами или скачками.

И поэтому, несмотря на все размышления нефтянников о «проблеме прерывистости», которая всегда была чрезвычайно незначительной, её дни сочтены, поскольку её, собственно, никогда и не существовало.