Как убить единую энергетическую систему: ВИЭ и энергосистемы

За последнее время на страницах самых разных СМИ стало появляться всё больше материалов, посвященных ВИЭ, возобновляемым источникам энергии. Ориентироваться в этом потоке информации не так просто, и нам кажется, что настала пора привести в порядок, систематизировать наши с вами знания об этой отрасли энергетики. Всё вполне традиционно — профессиональные навыки не потребуются, оценить сущность и перспективы развития альтернативной энергетики можно, опираясь на логику и школьные знания.

Начнем с терминологии — что такое «альтернативная энергетика», как это понятие соотносится с близкими ему «чистая энергетика», «возобновляемая энергетика». Эти названия мелькают в различных комбинациях друг с другом, зачастую сбивая с толку.

Самое широкое понятие в данном случае — это «чистая энергетика». К чистой энергетике (clear energy) относят все виды электрогенерации, которые не загрязняют в процессе работы атмосферу углекислым газом. Под этот критерий попадают атомная энергетика, гидроэнергетика, солнечная и ветроэнергетика, приливная энергетика.

Термин «загрязнять» тут, пожалуй, уместнее использовать в кавычках, так как ответ на вопрос о том, чем же является углекислый газ для планеты Земля — научно безукоризненного ответа не имеет. Загрязнитель это или безвредное вещество, необходимое для существования жизни? Существует столь огромное количество авторитетных научных и псевдонаучных доказательств «за» и «против» обоих точек зрения, что ответить на него однозначно невозможно. В рамках сформировавшейся на Западе «зеленой религии» постулируется, что необходимо бороться с углекислым газом для спасения планеты от глобального потепления. Помните, что такое аксиома в математике? Определение, не требующее доказательств. Вот и в случае «безусловного вреда углекислого газа» для адептов «зеленой религии» мы имеем дело с религиозной аксиомой.

Немаловажен также факт, что сторонники «чистой энергетики» игнорируют то загрязнение планеты, которое осуществляется при изготовлении оборудования где-то в далеком Китае. А ведь изготовление солнечных панелей крайне негативно влияет на экологию. Характерно, что при этом адепты «зеленой религии» одновременно боятся атомной энергетики и исключают ее из разряда «чистых». Поэтому очень часто используется термин renewable energy, возобновляемая энергетика — все виды генерации, которые не используют ископаемое топливо: всё, перечисленное выше, за вычетом атомной, и с добавлением топливной энергетики, использующей мусор и биотопливо.

Ну и третье понятие, альтернативная энергетика, которое очень часто ошибочно используют в качестве синонима к термину «возобновляемая энергетика». Под альтернативной энергетикой понимаются все недавно ставшие модными виды возобновляемой генерации, за исключением гидроэнергетики. Данный термин используется в качестве «современного, прогрессивного» противопоставления традиционной, «устаревшей» энергетике.

На самом деле понятия «альтернативная» и «возобновляемая» не могут быть синонимами, так как гидроэнергетика — это не только традиционный вид генерации, но и один из наиболее дешевых и удобных. Казалось бы, какая разница? Но разница есть, и она огромная.

Зеленые активисты очень любят показывать красивые графики с огромной долей «возобновляемой энергетики» в общем балансе, рассказывать о том, как успешно «возобновляемая энергетика» развивается, а потому им и нужно денег для дальнейшего прогресса. График может быть примерно таким:

Здесь, как видите, «очевидно», что доля ВИЭ высока и растет. Обман здесь в том, что львиная доля объемов генерации на этих графиках — это как раз традиционная гидроэнергетика, по сравнению с которой альтернативная энергетика составляет считанные проценты. Но просят зеленые активисты денег и субсидий на развитие именно альтернативной энергетики, прикрываясь цифрами возобновляемой энергетики.

И есть еще один критерий, жестко разделяющий виды генерации, относящиеся к возобновляемой и альтернативной энергетике. Это понятие прерывистости/диспетчеризируемости генерации, то есть способности человека управлять процессом генерации по своему желанию. Понятно, что, к примеру, ветрогенерация является прерывистой, так как при исчезновении ветра, которое может произойти в любой момент, генерация электроэнергии на ВЭС (ветроэлектростанциях) мгновенно прекратится вне зависимости от потребностей людей. К диспетчеризируемым видам возобновляемой энергетики относятся гидроэнергетика, сжигание мусора и биомассы, и, до некоторой степени, солнечная термальная энергетика с солевыми аккумуляторами. Прерывистым виды ее же — ветроэнергетика, солнечная фотовольтаика, солнечная термальная без аккумуляторов и приливная энергетика. Для человека, который считает, что электричество берется из розетки, не существует разницы между электричеством, полученным на ГЭС, на мусоросжигательной станции или на ВЭС. Но с инженерной, технической и экономической точки зрения разница между этими видами генерации — беспредельно огромная.

«Зеленые» очень любят манипулировать людьми, заявляя примерно следующее:

«Вы негодяй и ретроград, так как вы выступаете против чистой, светлой, эльфийской возобновляемой энергетики».

«Зеленые» в кавычках не случайно — у поклонников чистой электроэнергии могут быть самые разные политические взгляды, главным является религиозная вера в тотальный вред традиционной энергетики, неизбежно ведущей нас к преждевременному апокалипсису.

Мы отказываемся верить в необходимость тотальной борьбы с углекислым газом, но не являемся мы и противниками возобновляемых видов энергетики. Мы — противники ситуации, когда на религиозно-коррупционных основаниях в энергосистему внедряют те виды альтернативной энергетики, которые являются не только слишком дорогими, но и по своим изначальным качествам (прерывистости) являются разрушительными для энергосистемы. Мы считаем недопустимыми для использования в единой энергетической системе России все виды прерывистой генерации электроэнергии. При этом все виды диспетчеризуемой генерации, как традиционной, так и альтернативной, могут добавляться в ЕЭС без причинения ей вреда.

Ветроэнергетика, приливная энергетика, солнечная энергетика без аккумуляторов вредны и опасны для единой энергосистемы в любых количествах, а при превышении определенного уровня их добавление либо разрушает энергосистему, либо делает ее эксплуатацию запредельно дорогой для общества.

Это значит, что прерывистые виды генерации должны быть запрещены полностью, а не прерывистые виды альтернативной энергетики должны внедряться с учетом экономической и экологической целесообразности, без учета фактора религиозной борьбы с углекислым газом и, по возможности, в локальных, не связанных с ЕЭС энергосистемах.

Электричество — уникальный по своим свойствам товар, его невозможно хранить, каждая произведенная единица энергии должна быть мгновенно потреблена. Даже наличие устройств аккумуляции энергии ничего в данном факте не меняет. С точки зрения энергосетей любое устройство хранения в какой-то момент времени выступает как потребитель энергии, затем в какой-то следующий момент времени оно же выступает уже как генератор энергии. Процесс функционирования энергосистемы заключается в постоянной ежесекундной балансировке производства и потребления — в любой момент времени они должны быть равны. Энергосистема обрушится (вплоть до блэкаута) как в случае недостатка энергии в сети, так и в случае ее избытка в сети. Баланс должен поддерживаться 24 часа в сутки, разбалансировка неизбежно приводит к нарушениям функционирования сетей ЛЭП, подстанций и вплоть до генерирующих мощностей.

График постоянно изменяющегося потребления энергии принято называть «пилой потребления». Он изменяется в зависимости от суточных ритмов жизни человеческого общества, сезонных факторов, климатических факторов и множества иных, включая такие забавные, как, например, трансляции крупных спортивных соревнований.

Нужно понимать, что потребление энергии является крайне неэластичным, влиять на него можно только очень ограниченно, да и то в основном на уровне дневного графика потребления. Поэтому энергосети всегда предпочитают управлять второй частью уравнения, то есть производством энергии.

Если мы посмотрим на суточный график производства/потребления энергии, то мы увидим, что его можно разделить на две части: прямоугольник снизу — от нуля до уровня минимального дневного потребления, и волна или пила сверху, от уровня минимального дневного потребления до уровня максимального дневного потребления. Прямоугольник — это базовая нагрузка/потребление сети, это тот стабильный гарантированный объем энергии, который требуется сети в определенный отрезок времени. Работа насосов водопроводной и канализационной систем в городах, предприятия круглосуточного цикла производства, всевозможные системы хранения скоропортящихся продуктов — вот то, что «спрятано» внутри прямоугольника.

Волна сверху — это пиковая нагрузка/потребление, постоянно изменяющийся на протяжении дня объем энергии. Начиная с шести часов утра просыпаются жители городов и поселков, начинают работать производства, торговые точки, городской транспорт, обеспечивая рост волны на графике, которая уходит вниз по мере того, как мы уходим с работы и друг за другом выключаем телевизоры, компьютеры и перестаем гладить белье.

Опираясь на простую логику, мы понимаем, что в нашем распоряжении должны иметься два разных вида генерации, наиболее приспособленные для обеспечения, соответственно, базовой и пиковых потребностей.

Генерация, обеспечивающая базовую нагрузку в сети, должна обладать следующими свойствами:

Так как бесплатный сыр только в мышеловке, то базовой генерации, имеющей указанные положительные свойства, приходится позволять иметь и ряд допустимых отрицательных свойств:

Такими свойствами обладают атомные станции, угольные станции, парогазовые станции и гидроэлектростанции в ситуации избытка гидроресурсов.

Генерация, пригодная для покрытия пиковых нагрузок, должна иметь другие «полезные» свойства:

Опять же при этом имеются допустимые недостатки:

Свойствами пиковой генерации обладают газовые и дизельные турбины открытого цикла, и, до некоторой степени, современные газовые станции комбинированного цикла, дизельные станции, гидроэлектростанции. ГЭС, как видите, универсальны — они могут работать как в базовом, так и в пиковом режиме.

Современная энергосистема выстраивается на сочетании диспетчиризуемых базовой и пиковой генераций. При разумном подходе, разумеется, стараются свести стоимость всей совокупности получаемого электричества к минимуму, с учетом экологических и логистических факторов. И, следовательно, такая «разумная» энергосистема должна иметь максимальный объем базовой энергетики, дающий дешевую энергетику, и минимальный объем пиковой энергетики, обеспечивающей необходимую гибкость и резервирование на случай форс-мажорных ситуаций, но при этом дорогой.

Понятно, что прерывистая альтернативная генерация (ПАГ) непригодна ни для использования в качестве базовой энергетики, ни для использования в качестве пиковой энергетики, ведь у нее отсутствует главное необходимое свойство — диспетчеризируемость. В какой-то момент энергия у нас есть, а спустя несколько минут или часов энергия у нас резко исчезает. Простой пример — в случае ветроэнергетики турбины на огромной территории могут прекратить работать почти одномоментно в случае усиления ветра выше критической скорости.

Следовательно, при добавлении в энергетическую систему ПАГ-генерации в энергетической системе возникает новая «пила» — пила производства. И у энергосетей возникает новая задача и новая головная боль — кроме необходимости балансировки пилы потребления, теперь приходится еще и дополнительно балансировать пилу ПАГ-производства.

Поскольку отрицать настолько очевидные вещи невозможно, сторонники ПАГ пытаются использовать нечто, кажущееся им «серьезным аргументом»: раз в системе всё равно уже есть пиковая генерация, то прибавка ПАГ ничего не меняет, «просто теперь пиковая генерация будет заодно балансировать еще и пилу производства».

До тех пор, пока ПАГ существовала в зачаточной форме, это утверждение было близко к истине. Естественная волатильность энергосистемы — изменчивость спроса и возможные форс-мажоры на стороне производства — существует всегда, и пиковая генерация действительно всегда готова подключиться для спасения ситуации. Но, как мы уже говорили, любая разумная энергосистема стремится к минимизации расходов, и, следовательно, к минимизации количества дорогостоящей пиковой генерации. В «разумной» энергосистеме существуют объемы, требующиеся для покрытия максимально возможной пилы потребления, и разумный, сведенный до необходимого минимума объем дублирования и резервирования на случай выхода из строя объектов генерации.

Пока ПАГ составляет считанные доли процента от диспетчиризуемой генерации, ее пила просто теряется в общем «шуме». Это не значит, что вред от ПАГ отсутствует при ее малой доле, это значит, что вред настолько мал, что им можно пренебречь, вот только в этом случае и любая возможная «помощь» от ПАГ также настолько мала, что ей тоже можно пренебречь.

Но как только объемы ПАГ возрастают, на покрытие ее пилы производства требуется выделять или создавать отдельные пиковые генерирующие мощности дополнительно к существующим в нормальной системе. Таким образом, и расходы, связанные с балансировкой пилы производства ПАГ, также возникают дополнительно.

Существует ряд методов, с помощью которых можно решать проблемы ПАГ, то есть методы балансировки возникающей пилы производства:

По каждому виду балансировки можно писать отдельную статью, в этот же раз ограничимся коротким их описанием.

Перепроизводство прерывистой альтернативной энергии

ПАГ имеет достаточно низкий коэффициент использования установочной мощности (КИУМ). Так, например, для солнечных станций он может составлять 25—35%, для ветроэлектростанций 20—45%. Возьмем для простоты расчета величину несколько завышенную, на уровне 33%. Казалось бы, для покрытия потребности некого объекта в размере 100 мегаватт нам достаточно поставить ветрогенераторов или солнечных панелей мощностью 300 мегаватт (с КИУМ 33%).

Но всё не так просто, одно из негативных свойств ПАГ — сильная разница в сезонной выработке энергии. Например, солнечные панели в некоторых районах Европы вырабатывают зимой в пять раз меньше энергии, чем летом. Если предположить, что зимнее и летнее потребление примерно одинаковое (хотя это, как вы понимаете, очень смелое допущение), то чтобы обеспечить закрытие зимней потребности только с помощью солнечных электростанций, придется поставить в несколько раз больше панелей. Они позволят закрывать зимнюю потребность, но эта установка дополнительных панелей приведет к тому, что летом будет генерироваться «лишняя» энергия, в разы превышающая потребность. В результате «летняя» энергия будет просто теряться, снижая тем самым среднегодовой коэффициент использования установленной мощности панелей до величин, полностью убивающих экономическую целесообразность.

Диверсификация за счет расширения сетей

Предполагается, что в одном относительно небольшом районе, например, на балтийском побережье Германии, ветер может отсутствовать, но если взять всю Европу в целом, то ветер где-нибудь да найдется — к примеру, на каких-нибудь островах возле Англии. На практике использовать это для балансировки прерывистости невозможно по следующим причинам:

Тем не менее в настоящее время 34 страны Европы пытаются реализовать проект создания единой энергосистемы — ENTSO-E, которая должна работать от Афин до Осло, включая в себя и островные государства.

Управление спросом

Управление спросом можно разделить на несколько направлений:

Безусловно, экономически оправданные решения должны всё шире использоваться в нашей жизни — для снижения потребности в дорогом «пиковом» электричестве, вот только это не имеет никакого отношения к ПАГ. Во-первых, потенциал таких методов крайне мал, он не превышает нескольких процентов на годовом масштабе. Во-вторых, этого потенциала не хватит даже для выравнивания естественной пилы потребления, и уже точно не хватит для балансировки еще и пилы производства.

Хранение энергии

Хранение энергии — это святой Грааль адептов ПАГ из раздела «Вот прилетят добрые инопланетяне с планеты Нибиру и подарят человечеству технологию мощного и дешевого аккумулятора, и тут же ПАГ заиграет совсем другими красками». Вот только традиционную энергетику убивают уже сейчас, когда взлетно-посадочная полоса для НЛО добрых нибиритян всё еще пустует.

Для балансировки сезонного несовпадения между производством и потреблением нужны объемы хранения в десятки тераватт*час. Например, для Германии для увеличения доли ПАГ в ее энергосистеме до уровня в 50%, требуется 5—10 ТВт*ч хранения (Т — это «тера», тысяча миллиардов). Это примерно в сто-двести раз больше не только того, что в Германии уже есть, но и того, что можно создать в обозримом безнибировском будущем.

При этом единственная технология, позволяющая строить системы хранения достаточно масштабные и достаточно дешевые — это гидроаккумулирующие электростанции, ГАЭС. Все остальные технологии (литий-ионные батареи, маховики, сжатый воздух, хранение тепла и прочие) — слишком дороги.

Дублирование традиционной пиковой генерирующей энергетики

В результате методом исключения у нас остается всего один реальный, а не фэнтезийный, метод балансировки пилы производства — держать в системе резервную, дублирующую структуру пиковой генерации, которая по необходимости включается и спасает ситуацию, обеспечивая стабильность энергосистемы.

Можно называть это дополнительной балансировкой, можно называть это паразитированием ПАГ на традиционной энергетике, можно даже использовать нецензурные выражения, результат будет только один — это всегда увеличивает совокупные расходы на функционирование энергосистемы.

Дублирование системы пиковой генерации — это расходы на капитальные затраты по ее созданию и подключению к энергосистеме, при этом себестоимость производства электроэнергии объектами пиковой генерации, как мы уже говорили, значительно выше, чем в случае генерации базовой. Эти дополнительные затраты с лихвой перекрывают так называемую «экономию топлива». Именно «так называемую» и именно в кавычках.

Какая-то экономия топлива может происходить до тех пор, пока доля ПАГ мала, как только количество установленных альтернативных мощностей прерывистой генерации становится значительным, ПАГ начинает убивать диспетчеризуемую энергетику. Это — следствие существующих методов ценообразования, при которых дотируемая ПАГ имеет возможность занижать цены, а также законодательное предпочтительное предоставление доступа ПАГ-электроэнергии в сеть. В результате в периоды наличия возобновляемого ресурса, например, в полдень летом или во время сильных ветров, традиционные станции вынуждены или останавливать свою работу, или платить потребителям (те самые «отрицательные цены», о которых с восторгом пишут адепты «зеленой энергетики») за отдаваемую ими в сеть электроэнергию.

Поскольку станции базовой генерации не предназначены для частых запусков и остановок, такой режим работы для них всегда является убыточным. Согласно отчёту организации «Карбон Трекер», 55% угольных станций Европы работает в убыток. Почти повсеместно в убыток работают и газовые станции с турбинами комбинированного типа. Рано или поздно такие станции закрываются или по экономическим причинам, или из-за устаревания, поскольку в таких условиях их реконструкция нерентабельна, и в результате энергосистема остается без станций базовой нагрузки. Функции этих станций в Европе начинают выполнять комбинации из ПАГ и газовых пикеров. Газовые пикеры по своему замыслу и по конструкции предназначены исключительно для выработки небольшого объема дорогой генерации. Они задуманы, сконструированы таким образом, что используют неэффективные методы работы и тратят больше единиц топлива на выработку единицы электроэнергии — такова плата за возможность в считанные секунды выйти на максимум мощности и мгновенно отключиться, как только необходимость в сглаживании пика пропадает. Получается, что общество в течение 20—35% времени будет «экономить» топливо за счет простаивания базовой генерации, а в течение 65—80% времени будет тратить топливо примерно на 15—20% менее эффективно. В результате суммарный эффект «помощи» ПАГ в деле экономии топлива становится либо близким к нулю, либо отрицательным.

Дублирование традиционной энергетикой за счет соседей

Для энергосистемы любой страны очень дорого нести двойные расходы на создание и поддержание дополнительной структуры пиковой генерации, поэтому на Западе очень модно развивать у себя ПАГ-энергетику, а проблемы по балансировке перекладывать на соседей. При этом дотации получают альтернативные энергетики в «зеленой» стране, а традиционные энергетики у соседей несут убытки и расходы. Такая стратегия развития настолько удобна, что именно ее в настоящее время стараются использовать все страны-лидеры использования ПАГ. И это же стремление привело к тому, что проектирование единой европейской энергосистемы ENTSO-E, начавшееся в 2009 году, продолжается до сих пор, и сказать, когда закончится согласование интересов всех ее потенциальных участников, не может никто.

Яркие примеры

Давайте припомним четыре случая, ставших «классикой жанра».

Южная Австралия

Замечательный (и, к счастью для Австралии, очень небольшой по населению и ВВП) штат, в котором несколько лет назад к власти прорвались лейбористы, фанатики «зеленой религии». Они благополучно довели долю солнца и ветра в своем энергобалансе до 50% и уничтожили в штате угольную энергетику. В результате штат полностью стал зависеть от работы магистральных интерконнекторов, соединяющих его с энергосистемой ближайшего штата Виктория. Южная Австралия несколько лет частично скидывала свои проблемы и расходы на дублирование ПАГ-генерации на энергосистему Виктории. Частично — потому, что потребительские цены на электричество в штате Южная Австралия — одни из самых высоких в мире. Как и следовало ожидать, в результате в штате Виктория была убита крупная угольная станция, работавшая на буром угле и дававшая самое дешевое электричество. Теперь уже два этих штата скидывают свои проблемы по балансировке на угольные станции и гидроэнергетику, которые еще продолжают работать в других австралийских штатах.

Данный эксперимент интересен еще и тем, что энергосистема юго-восточной части Австралии хотя и довольно крупная, но замкнутая, у нее просто нет соседей, на которых можно далее сбросить проблемы. В результате мы можем спокойно наблюдать, что происходит в энергосистеме, власть над которой захвачена фанатиками «зеленой энергии». Население Южной Австралии добровольно взяло на себя роль кроликов для испытаний — нам, сторонним наблюдателям, это весьма удобно и не причиняет хлопот.

Калифорния, США

Штат, имеющий самую бо́льшую долю возобновляемой энергетики в США и, что характерно, самую высокую цену на электричество в этой стране. Сбрасывает расходы по балансировке пилы производства на соседние штаты — Аризону, Неваду и Орегон.

Дания

Лидер Европы по доле ПАГ в энергобалансе, одновременно и лидер по потребительским ценам на электричество. В Дании нормальная энергетика была уничтожена полностью. В настоящее время, помимо ветроэнергетики, электричество вырабатывается так называемыми комбинированными станциями, на которых электричество и тепло (в зимний сезон) вырабатывается одновременно. При этом выработка электричества является убыточным видом деятельности и спонсируется за счет высоких цен на тепло. Балансировка осуществляется за счет энергосетей Норвегии, Швеции и Германии.

Германия

Лидер энергии по движению к чистой энергетике. Наверное, никого не удивит, что одновременно Германия еще и европейский лидер по ценам на электричество для потребителей. Решает проблемы балансировки пилы производства, скидывая ее на соседей — Польшу, Чехию и Голландию. В основном страдают именно эти три страны, так как они соединены магистралями с севером Германии, основным регионом ПАГ-генерации. Проблема стоит настолько остро, что соседи либо уже установили, либо требуют установки трансграничных блокираторов, которые должны их защищать от притока «бесплатной» энергии.

Понятно, что потенциал решения проблем за счет соседей довольно ограничен и довольно быстро приводит либо к уничтожению у них нормальной энергетики (Австралия), либо к требованиям прекратить «поставку» нежелательной энергии (США и Европа). В случае использования только одного из указанных методов балансировки расходы очень быстро начинают расти экспоненциально, делая абсолютно бессмысленным переход к «чистой» энергетике. Поэтому эксперты предлагают использовать какую-либо комбинацию из этих методов, чтобы хоть немного снизить суммарные расходы.

Тем не менее, по оценке Международного энергетического агентства, даже при оптимальном управлении процессом трансформации традиционной энергетики в «чистую», при доведении доли ПАГ в энергосистеме до 45% совокупные расходы системы будут увеличиваться на 20—30%. Так как трудно рассчитывать на оптимальное управление столь сложным процессом, то в реальной жизни величина увеличения расходов превышает 50%.

Очевидно, что само по себе это не имеет какого-либо смысла и несет колоссальный экономический ущерб «зараженному» обществу. Развитие ПАГ базируется только и исключительно на религиозном базисе — борьбы с углекислым газом.