Возобновляемые источники энергии изменят наш мир
Рассмотрим применение ВИЭ в энергосистеме Казахстана, что они принесут нам сегодня и завтра.
ВИЭ с начала XXI века завоевали существенную нишу в мировой энергетике. На первых порах они воспринимались только как новое модное направление, однако ВИЭ быстро достигли периода зрелости и сегодня не только составляют конкуренцию традиционным источникам, но и во многом превосходят их, становясь предпочтительным способом энергоснабжения потребителей.
Это объясняется не только тем, что в конкурентной экономической борьбе они с каждым новым годом становятся более дешёвыми. Они уже достигли паритета цен с традиционными источниками энергии и уже обошли их, и поэтому становятся всё более привлекательными для потребителя.
Новые технологии, сопровождающие интеграцию ВИЭ в энергосистему, открывают новые технические возможности использования их в энергосистеме и породили революцию в устоявшейся традиционной энергетике.
Всем известны существующие планы развития ВИЭ в Казахстане, которые уже определены государством. Эти планы, безусловно, должны быть реализованы и ВИЭ найдут достойное применение среди всех источников энергии, используемых в энергосистеме республики.
Остановимся на тех особенностях ВИЭ, которые не очень хорошо ощущают не только политики, но и профессионалы-энергетики и о их роли как для социума, так и для энергетической отрасли.
В начале развития ВИЭ все прекрасно понимали, что производство электроэнергии с помощью СЭС и ВЭУ исключает углеродные выбросы, поэтому их появление связано с решением проблемы декарбонизации планеты в соответствии с Парижским соглашением.
В сентябре 2015 года главы 193 государств, согласовали Цели в области устойчивого развития (ЦУР). Одним из важнейших индикаторов ЦУР является переход к технологиям в области чистой энергии, включая ВИЭ.
Казахстан, наряду с другими странами СНГ, подписал и ратифицировал Парижское соглашение по климату, определил на национальном уровне планы развития ВИЭ и рассматривает масштабное освоение ВИЭ в качестве одной из мер ограничения выбросов парниковых газов.
На первых порах развития ВИЭ маститые энергетики, прекрасно знающие энергосистему и условия существования режима в ней, боялись ВИЭ как чумы. Это объяснялось непостоянством режима генерации от этих источников, наличием вариабельной генерации и необходимостью приобретения накопителей, устанавливаемых в энергосистеме для демпфирования непостоянного режима работы ВИЭ. Профессионалы-энергетики понимали, что развитие ВИЭ приводит к тому, что приходится перестраивать энергетическую систему и структурно, и в управлении, и устанавливать ранее никогда не применявшиеся дополнительные специальные источники маневренных мощностей в энергосистеме.
В начальном периоде не ощущалась роль накопителей и их функциональные возможности, а тем более не очень понималось как существенные усложнения в энергосистеме могут обеспечить надёжное электроснабжение.
На первых порах интеграции ВИЭ в энергосистему, высокая стоимость самих ВИЭ вынуждала любое государство с целью продвижения проектов ВИЭ и привлечения инвесторов субсидировать их развитие. На Западе система поддержки ВИЭ осуществлялась на основании законов о возобновляемых источниках энергии и поэтому везде отличалась прозрачностью. Раньше единственной формой поддержки проектов ВИЭ являлись «зеленые тарифы». Они фиксировались на 15-20 лет и, как правило, каждый год для новых объектов генерации зеленый тариф устанавливался ниже, чем в предыдущий. Сегодня практика зеленых тарифов уходит в прошлое и заменяется конкурсными аукционам, которые показали большую эффективность.
Этот подход во всех странах приводил к увеличению тарифа во всей энергосистеме
Отметим, что несмотря на выделяемые субсидии внедрение ВИЭ для государства было выгодным, так как создавало условия для развития экономики страны, появления новых заводов, увеличивало рабочие места и, естественно, увеличивало и поступление налогов. Тем самым государство получает ещё и дополнительный эффект.
Для всех потребителей энергосистемы стоимость электроэнергии в странах с высокой долей ВИЭ, естественно, повышалась. Причём она повышалась по двум причинам. С одной стороны, стоимость электроэнергии от самих ВИЭ повышается как за счёт высокой стоимости самих ВИЭ, так и за счёт выделяемых для них субсидий, о чем мы уже говорили. Естественно, все эти дотации в дальнейшем перекладывались на плечи потребителей (промышленности и населения).
Во всех странах существующее законодательство, учитывающее механизм государственной поддержки, предусматривает приоритет в технической диспетчеризации электрической энергии от ВИЭ по отношению других источников и гарантирует покупку всего объёма энергии ВИЭ по фиксированному тарифу в течение 15 лет. В Казахстане покупателем энергии ВИЭ выступает расчетно-финансовый центр (РФЦ) республики. Поэтому в первую очередь закупается более дорогая электроэнергия от ВИЭ, а затем уже от традиционных электрических станций в соответствии с потребностями спроса, как показано на Рис 8. ▼
Таким образом, энергия от возобновляемых источников на рынке вытесняет более дешёвую электроэнергию от традиционных источников. Это приводит к тому, что коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) у традиционных электрических станций уменьшается, приводя к увеличению стоимости электрической энергии на этих станциях. В тоже время модернизация и техническое перевооружение ВЭУ в развитых странах уже приводит к снижению средней общемировой стоимости ветровой энергии за счёт повышения КИУМ. Рост числа и мощностей СЭС и ВЭС приводит к тому, что КИУМ традиционные источники снижается, что приведёт к увеличению показателей нормированной стоимости как для существующих, так и для новых традиционных электростанций.
Таким образом, потребителю приходится оплачивать не только стоимость самих ВИЭ и субсидии, выделяемые для их развития, но и возросшую стоимость электроэнергии на традиционных электрических станциях.
Всё это приводило к тому, что стоимость электроэнергии в странах Европы с высокой долей ВИЭ, таких как Германия, Бельгия значительно возросла с начала применения ВИЭ достигнув 120-150 тенге за 1 кВт-ч. Заметим, что всё это будет продолжаться только до тех пор, пока не закончится гарантированный 15-20 летний срок фиксированных тарифов, установленный для ВИЭ.
Социум, понимая экологическую привлекательность ВИЭ, тем не менее реально ощущал на себе возрастающее увеличение стоимости электроэнергии по мере увеличения интеграции ВИЭ в энергосистемы и поэтому не очень поддерживал их развитие. Так, например, в Германии в целях финансирования ВИЭ до сих пор существует целевой обязательный сбор, который потребители энергии ежегодно обязаны выплачивать на основании закона о ВИЭ Германии (EEG).
Тем не менее, нарастающее использование ВИЭ в мировой энергетике становится возможным благодаря значительному техническому прогрессу, позволившему, прежде всего, существенно снизить себестоимость производства ветровых (ВЭС) и солнечных (СЭС) электростанций различных типов.
На Рис. 9 ▲ приведено снижение издержек за последнее десятилетие для различных технологий производства электроэнергии.
Поэтому ВИЭ, которые ещё в начале этого века считались лишь модным направлением, сегодня становятся предпочтительным способом энергоснабжения потребителей во всем мире.
Если вспомнить, что еще в 1950 году удельная стоимость фотоэлектрических модулей, которые являются наиболее дорогостоящим элементом фотовольтажных систем составляла порядка 1000 $/Вт, а сейчас она стала почти в 50 раз дешевле, то становится очевидным роль технического прогресса в этой области.
Экономическая эффективность использования ВИЭ в 2018 году подтверждается сравнением LCOEразличных технологий производства электроэнергии, приведённых на Рис. 10 ▼
Из Рис. 10 видно, что показатель несубсидированной нормированной стоимости ВЭУ и СЭС сегодня находится в диапазоне от $ 30 до 60 за 1 МВт-ч, что ниже диапазона цен не только на угольные электрические станции, но и самых дешёвых для классической энергетики парогазовые станции ($ 4278 за 1 МВт-ч). За последнее десятилетие стоимость солнечной энергии упала в США на 90 %. Таким образом, благодаря резкому снижению затрат за последнее десятилетие, уже сегодня средняя по миру себестоимость электроэнергии от солнечных и ветровых станций дешевле, чем любая из новых электростанций, работающих на ископаемом топливе. Одновременно необходимо отметить, что сетевого паритета по эффективности удалось достичь не только крупным альтернативным электростанциям. Малые, географически рассредоточенные солнечные панели, устанавливаемые на крышах зданий, стали близки к достижению паритета цены и производительности с централизованными энергосетями.
Однако последние данные на основании доклада Lazardза 2020 год показывают, что LCOEбез учёта субсидий для ветровых электростанций стали ещё ниже и составляют $ 26-54, для солнечных фотоэлектрических электростанций – $ 29-42, в то время как для парогазовых установок – $ 44-73 за мегаватт-час. Это означает, что LCOEнекоторых проектов ветровой и солнечной энергетики сопоставима с предельными издержками «традиционных» работающих электростанций, которые составляют для парогазовых установок $ 28, атомной энергетики – $ 29 и угольной генерации – $ 41 за мегаватт-час. В то же время Lazardотмечает, что темпы снижения затрат замедлились, за последние пять лет они составляли 11 % у солнечной энергетики и 5 % у наземной ветровой.
Кроме того, необходимо отметить, что не только цена на электроэнергию произведенных на крупных СЭС стала ниже, чем у любых традиционных электрических станций. Технологии солнечной энергетики вначале породили гелиотермальные системы тепло- нагревателей, на базе разнообразных типов солнечных коллекторов, располагаемых на крыше домов для частного использования тепловой энергии. А в наше время уже фотогальванические батареи, расположенные на крышах домов, завоёвывают мир. По сравнению с наземными фотоэлектрическими электростанциями с пропускной способностью мегаваттного диапазона, PV-системы на крышах жилых зданий обычно имеют мощность от 5 до 20 кВт, а те, которые установлены на коммерческих зданиях, часто достигают 100 кВт или более. Технология устройства фотогальванических солнечных панелей на крышах зданий и сооружений настолько развилась за последнее десятилетие, что позволяет устанавливать такие системы практически на любые типы крыш. Главное для успешной эксплуатации крышной солнечной электростанции – это достаточная несущая способность крыши и отсутствие затенения.
В начале этого процесса потребители самостоятельно размещали на крыше своих домов фотогальванические установки обычно небольшой мощности для удовлетворения личных потребностей своего домовладения. В некоторых странах государство стало даже не только разрабатывать специальные программы, связанные с установкой солнечных модулей на крыше домов, но и предоставлять финансовые льготы для этого. Так, например, только в период в 1986- 1992 годов в рамках большой программы по внедрению ФЭУ правительство Индии на установку солнечных батарей в сельской местности затратило 690 млн рупий.
Правительство Японии в 1994 году выплатило компенсации хозяевам более 700 частных домов, в размере 50 % стоимости фотоэлектрических модулей, установленных на их крышах. А с начала 1997 года в стране начала осуществляться новая программа «10000 фотоэлектрических крыш». Эта программа позволяет потребителю одну треть своих затрат оплатить за счёт государственных источников.
В 1999 году Германия приняла государственную программу «100000 крыш». В ней предусматривалось кредитование по ставке на 4,5 % ниже рыночной СЭС небольшой мощности, соединенных с сетью. В 2010 году более четырех пятых из 9000 МВт солнечных фотоэлектрических систем, действующих в Германии, было установлено на крышах домов.
Летом 1997 года президент США заявил о начале проведения государственной программы использования фотоэлектричества. В соответствии с ней предусматривалась установка и использование около миллиона солнечных фотоэлектрических установок в городах США.
В 2000 году в Австралии была запущена программа, по которой правительство предоставляет гранты на строительство солнечных электростанций в размере 5,5 $ на 1 Вт установленной мощности.
Государственная поддержка и введение льгот способствовали тому, что частные фотоэлектрические системы также стали конкурентоспособными.
В Израиле в соответствии с законом, требующим, чтобы каждый дом был снабжен солнечной водонагревательной установкой, установлено около 800000 солнечных коллекторов, которые обеспечивают 70 % населения страны горячей водой. А владельцы солнечных панелей освобождены от налога на прибыль и от НДС. К тому же, любой владелец квартиры сможет, заручившись согласием двух третей владельцев квартир, покрыть всю свободную площадь крыши солнечными батареями. Кроме того, каждый владелец квартиры в доме совместного проживания имеет право устанавливать на общей крыше небольшую солнечную систему площадью до 4 квадратных метров без необходимости согласия других владельцев.
В докладе, опубликованном в июне 2018 года Альянсом потребителей энергии (CEA), в котором анализировались солнечные стимулы США, было показано, что сочетание федеральных, государственных и местных стимулов наряду со снижением себестоимости установки систем PVпривело к большему использованию солнечной энергии на крыше по всей стране.
Затем потребители поняли, что им будет выгодно запасать солнечную энергию в дневное время, чтобы потом после захода солнца использовать её для своих нужд. Так в домах появились первые аккумуляторные батареи небольшой мощности для хранения энергии. А когда было разрешено потребителям запасенную энергию продавать энергосистеме, то это во всём мире привело не только к революционным изменения в самих энергосистемах – потребитель стал производителем, что в корне поменяло многолетний устоявшийся однонаправленный процесс передачи энергии, но и породило новую технологию коммерческих фотоэлектрических СЭС малой мощности. Более того локальные частные потребители на крышах домов которых установлены фотогальванические модули, а в домах имеются различные накопители энергии на базе аккумуляторных батарей стали объединяться на платформе блокчейна (система позволяет покупать и продавать электроэнергию без посредников) и выступать для энергосистемы в качестве дополнительного небольшого источника мощности и энергии.
За счёт государственной поддержки в 19 штатах США установка солнечных панелей с аккумуляторными батареями уже обходится дешевле, чем покупка электроэнергии у энергосбытовой компании. Это вызывало бурный рост приобретения аккумуляторов и позволило 26 миллионам бытовых потребителей конкурировать с традиционной энергетикой. Только за первый квартал 2018 года в США (в основном в Калифорнии и на Гавайях) домовладельцы установили больше солнечных батарей, чем за три предыдущих года вместе взятых.
На Рис. 11 ▲ показан процесс развертывания бытовых систем хранения энергии в США, МВт^ч.
Компании, занимающиеся установкой таких панелей, всё чаще снабжают их аккумуляторными батареями для хранения энергии. В 2016 году компания Sun Run предложила устанавливать на Гавайях солнечный модуль с батареей, что для потребителя обеспечивало цену на электроэнергию почти на 50 процентов дешевле, чем закупаемой у коммунальной компании.
В 2017 году в Австралии порядка 40 % установленных домохозяйствами солнечных панелей имели аккумуляторные батареи для хранения электроэнергии, а в Германии – 50 %.
С 2020 года установка фотоэлектрических модулей на крышах всех новых жилых зданий, возводимых в штате Калифорния, стала обязательной. Сегодня в США насчитывается три миллиона домохозяйств, на крышах которых есть солнечные панели, но потенциал намного выше, утверждают в Министерстве энергетики США. С этой целью в 2021 году оно запустило программу «Солнечное лето 2021 года» которая автоматизирует проверку заявок на установку солнечных панелей и позволит значительно упростить и ускорить получение разрешения на установку солнечных батарей на крыше. Разработанная программа SolarAPP+ сократила рассмотрение разрешений на установку солнечных панелей примерно с 20 рабочих дней до нуля.
Обычно в США потребители устанавливают солнечную батарею мощностью 5 кВт и аккумуляторный блок Tesla мощностью 7 кВт^ч.
На Рис. 12 ▲ показаны штаты, в которых установлены солнечные модули с батареями и процент клиентов каждого штата, которые могут самостоятельно генерировать более дешёвую электроэнергию за счёт установленных солнечных модулей.
Анализы показывают, что в Аризоне (США) в течение трёх ближайших лет потребитель электроэнергии сможет от 80 до 90 % своих потребностей в электроэнергии удовлетворять самостоятельно с помощью солнечных батарей и аккумуляторов и по более низкой цене, чем покупая электроэнергию у коммунальной компании.
В Австралии и Европе мощность частных и коммерческих фотоэлектрических панелей, размещенных на крышах зданий, превышает мощность СЭС. Это даёт основания полагать, что после достижения сетевого паритета развитие рынка будет определять конкуренция между автономными распределенными солнечными панелями и централизованными СЭС с энергохранилищами. Таким образом, становится ясна экономика солнечной энергетики: уже очень дёшево, но будет намного дешевле.
Предполагается, что намечающийся паритет цен на электроэнергию, полученную от солнечных модулей с аккумуляторами батареями и ценой на электроэнергию у коммунальной компании, может привести в США к тому, что в течение 10 лет потребители откажутся от их услуг.
В связи с этим в настоящее время электроэнергетика многих стран мира претерпевает значительные изменения с целью обеспечения всеобщего доступа к недорогим, надёжным, устойчивым и современным источникам энергии для всех.
Высокая степень интеграции ВИЭ во всех энергосистемах мира привела к тому, что стоимость самих источников ВИЭ в мире значительно уменьшилась. Сегодня ВИЭ становится экономически целесообразными без всяких субсидий со стороны государства.
Тариф на технологию ВИЭ стал повсеместно снижаться, так как все эти отрасли очень быстро развиваются технологически. Для всех типов ВИЭ постоянно снижается себестоимости киловатта. Так, например, в гидроэнергетике: гидротурбины сколько стоили несколько лет назад, столько примерно стоят и сейчас. А для всех традиционных источников, постоянно увеличивается их стоимость. В то время как за последние 10 лет стоимость киловатта, выработанного на солнечной энергии, например, снизилась почти в десять раз.
Кроме того, стоимость всех видов топлива для традиционных источников энергии постоянно растёт. В то время как в общемировой практике внедрение СЭС приводит к «сглаживанию» тарифов в дневные часы, а внедрение ВЭС – в ночные.
Платежи потребителей за ВИЭ будут постепенно сокращаться.
Уменьшение величина тарифа на электроэнергию от ВИЭ происходит после окончания периода окупаемости объекта ВИЭ (обычно 10-15 лет).
Это объясняется тем, что все затраты на инвестиции оказываются возвращенными и банковское ярмо становится сброшенным, а расходов на топливо нет. Каждый год из системы поддержки будет выбывать всё больше электростанций на ВИЭ. После расчёта с инвесторами и окупаемости ВИЭ все эксплуатационные затраты становятся ничтожными по отношению к произведенной электроэнергии. Поэтому тариф на электроэнергию от ВИЭ уже стал снижаться, а со временем он снизится еще больше.
И самое главное в том, что тариф для таких источников генерации становится намного ниже, чем для любых традиционных источников энергии. Это один из важнейших факторов, который дает огромное преимущество для развития ВИЭ.
Это происходит сегодня во всех странах мира с ВИЭ, где государство устанавливает стоимость электроэнергии в соответствии с её рыночной стоимостью, а не регулируют её с учётом социального обеспечения. В Дании, имеющей самую высокую в мире долю энергии, получаемой от ВИЭ, цены на электроэнергию без учёта налогов и сборов, являются одними из самых низких в Европе. В Германии, розничные цены на электроэнергию за последние 10 лет снизились более чем в два раза.
Кроме того, поскольку уже установленные ВИЭ для производства электроэнергии не требуют никаких дополнительных затрат и имеют нулевые издержки на топливную составляющую, то они вытесняют более дорогие традиционные источники энергии, что ведёт к снижению рыночных цен на электроэнергию.
Естественно, что технологическое развитие, связанное с интеграцией ВИЭ в энергосистемы, не остановилось. Регулярно сообщается и о новых способах обуздания энергии солнца и ветра, и о повышении эффективности уже существующих. Это безусловно будет способствовать увеличению их производительности, ещё большей привлекательности ВИЭ и расширению их использования в странах мира.
Кроме того, расширение использования СЭС и ВЭС при недостаточном уровне долгосрочного прогнозирования генерируемой ими электроэнергии ведет к временным (периодическим) избыткам электроэнергии в энергосистеме и, соответственно, снижает оптовые цены на электричество.
Многие страны Западной Европы (Великобритания, Германия, Дания, Финляндия, Швеция) неоднократно за последние годы демонстрировали нам примеры отрицательных биржевых цен на электроэнергию. Так, например в 10.02.2020 года в Дании цены на электроэнергию упали до минус 2,68 €, а накануне Рождества средняя цена за электроэнергию составила минус 6,28 евро за мегаватт-час. В Великобритании отрицательная цена была зафиксирована как минимум 15 раз. Обильные ветры и дожди привели к тому, что в Швеции цены на электричество опустились до рекордного месячного минимума – € 9,29. В Германии отрицательные цены на электроэнергию в октябре 2017 года составили минус 8,3 евро за МВт-ч.
Мне могут возразить, приведя обратный пример, когда в сентябре 2021 года, ввиду снижения производства электроэнергии ветряными электростанциями в Северном море, цены на электроэнергию в европейских странах выросли до рекордных значений (в Великобритании цена за МВт-ч выросла с начала августа почти в три раза, а с сентября 2020 года – почти в семь раз, составив 331 €, что является рекордом с 1999 года, а в Германии цена за мегаватт-час за месяц выросла на 30 %, до почти 130 €), а цена на газ превысила 970 $ за 1 тысячу кубометров. Или другое возражение, связанное с коллапсом энергосистемы, построенной на альтернативной генерации, что имело место в США в начале 2021 года, когда из- за аномальной зимы эффективность альтернативной энергетики оказалась практически равной нулю.
На это я могу привести и другие примеры.
ВИЭ помогают энергосистеме в случае нехватки топлива (угля или газа) когда энергосистема подвергается суровым погодным испытаниям. Тогда ВИЭ помогают компенсировать перебои в работе энергосистемы. Например, Великобритания столкнулась с дефицитом природного газа из-за снежной бури в 2018 году, тогда ВЭУ обеспечили рекордные показатели выработки. В США в 2014 году, в то время как груды угля смерзлись в результате полярного циклона, а в 2017 году груды угля намокли из-за урагана, в обоих случаях ВЭС превысили ожидаемые показатели производительности.
Чтобы не прерываться, обсуждение этих вопросов проведем чуть ниже.
Сейчас ещё раз отметим, что растущая широкая интеграция ВИЭ в энергосистему может повлиять на структуру оптовых цен на электроэнергию и обязательно приведет к снижению средних цен на рынке электроэнергии.
Специалисты из американской Lawrence Berkeley National Laboratory (подразделение Министерства энергетики США) провели масштабное исследование последствий воздействие переменной возобновляемой энергии на оптовые цены на электроэнергию. В этой работе они учитывали влияние «высоковариабельных» источников (солнечной и ветровой генерации) на цену энергетического рынка США в различных регионах. С этой целью они моделировали разные сценарии интеграции ВИЭ на 2030 год для системных операторов четырех регионов страны: CAISO (Калифорния), NYISO (Нью- Йорк), SPP (Юго-Запад) и ERCOT (Техас), отличающихся как различными эксплуатационными расходами (стоимостью электроэнергии), так и типами генерации ВИЭ, так и разным уровнем наличия у них переменных ВИЭ.
Результаты моделирования, показаны на Рис. 13 ▼, где приведена зависимость средневзвешенных цен на рынке электроэнергии по регионам $/МВт-ч от % доли переменных ВИЭ.
Из Рис. 13 видно весьма значительное общее снижение среднегодовых почасовых оптовых цен на энергию на рынке во всех регионах и повышение волатильности цен по мере увеличения доли вариабельной энергии ветра и солнца по сравнению с базовым низким уровнем переменных ВИЭ составляющим 4-21 %.
В отчёте отмечается, что если доля ВИЭ не превышает 40 % выработки, то это позволяет только незначительно сократить мощности традиционных электрических станций. И только когда доля переменных ВИЭ высока, то стохастическая выработка от большого количества источников, распределенных по широкой территории, всё-таки обеспечивает выдачу некоторой «твердой» мощности, которая может заменить выбывающие объекты угольной и газовой генерации.
Это очень важный вывод, который объясняет причины энергетического коллапса в США в начале 2021 года и причины возрастания цен в Европе в сентябре 2021 года.
Поэтому, с учётом разработанных планов развития ВИЭ в Казахстане, нельзя планировать вывод из эксплуатации существующих в республике традиционных электрических станций по меньше мере до 2035 года.
Если же доля генерации на основе солнца и ветра достигнет объёма примерно 40 % суммарной выработки системы, то это позволит сократить объёмы производства электростанций, работающих на ископаемом топливе на 25-50 % – в зависимости от региона.
В отчете отмечается, что высокая доля интеграции ВИЭ в энергосистему сопровождаемая более сильной волатильностью цен будет способствовать внедрению высокоманевренных технологий, включая накопители энергии.
На Рис. 14 ►показана динамика изменения себестоимости солнечной энергетики на оптовом рынке. Чётко прослеживается падение себестоимости по мере увеличения установленной мощности ВИЭ в энергосистеме. По данным Bloomberg, за последние девять лет стоимость электроэнергии, произведённой солнечными станциями, подешевела на 77 %, наземными ветряными станциями – на 38 %.
Так как ситуация изменилась, то социум в тех странах, где это произошло, начинает активно выступать в поддержку строительства ВИЭ даже взамен газотурбинных станций, как это имело место в Австралии и в Америке.
В дальнейшем, как мы видим из прогноза перспектив развития разных источников энергии в мире (Рис. 2), степень интеграции ВИЭ в энергосистеме будет увеличиваться, что безусловно приведёт к ещё большему снижению стоимости электроэнергии, получаемой от этих источников.
Ориентир на развитие ВИЭ стал настолько высок, что Демократическая партия США внесла на рассмотрение план о переходе на ВИЭ и отказ от природного газа.
Теперь об энергосистеме с ВИЭ
Развитие ВИЭ принесло с собой и революцию в энергосистеме.
Если раньше передача электрической энергии происходила только от генератора к потребителю, то с появлением ВИЭ сам потребитель может выполнять функции генератора.
За счёт этого, с одной стороны, усложнился режим работы. Он стал двух направленный, а с другой стороны, у нас появилось много отдельных частей энергосистемы.
Родился ранее не известный процесс децентрализации энергосистемы.
Раньше была огромная энергосистемы, с единым центром управления, а сегодня появилось много отдельных частей.
Ну, например, системы Smart Grid или Microgrid – умные, автономные электрические сети, объединяющие несколько локальных потребителей и источников энергии.
Появились виртуальные электрические станции с целью объединить распределенные ВИЭ и накопители в единую сеть не только для торговли их мощностью, но также для помощи диспетчеру при стабилизации и управления этими источниками в сети, прогнозирования и оптимизации их работы. Наличие виртуальных электрических станций позволяет с помощью цифровых решений снизить степень требуемого резервирования мощности, что исключительно важно для энергосистемы и также создает предпосылки для интеграции возобновляемых источников энергии на рынки.
Появилась система технологии блокчейна, которая позволяет объединить мелких производителей солнечной энергии (например, домохозяйства) и потребителей, которые могут покупать у них эту энергию без посредников. Технология блокчейн в энергетике применяется для совершения сделок купли-продажи между производителями и потребителями энергии. Европейские системные операторы запустили «платформу гибкости» на основе блокчейн.
Она предназначена для интеграции небольших и распределенных потребительских активов, таких как электромобили, домашние системы накопления энергии и тепловые насосы в процесс управления системным балансом. Она помогает справиться с переменчивостью погодозависимых ВИЭ.
Т.е. технология ВИЭ приводит к значительному изменению классических принципов передачи, распределения и продажи электрической энергии в сетях.
Сегодня уже наяву виден не только ощутимый технический прогресс самих возобновляемых источников, но реально проявляются и инновационные технологии привнесённые ВИЭ в энергетику вместе со своей интеграцией, которые в значительной степени опережают устоявшиеся решения классической энергетики и придают новые возможности для развития умной энергосистемы будущего. Эти факты, а также видимые пути устранения существовавших в первое время проблем связанных с их интеграцией в энергосистему уже снижают скептицизм профессиональных энергетиков в вопросе возможности их расширенного использования.
В наши дни ВИЭ является наиболее приоритетным сектором развития энергетики, это стало мировой практикой
Несмотря на то, что традиционные электрические станции сегодня всё ещё выполняют все основные системные услуги, связанные с регулированием частоты, напряжения и балансированием мощности, однако и ВИЭ не остаются в стороне от этого. Причём, как ожидается, ситуация может очень скоро измениться. ВИЭ вместе с собой принесли целый ряд дополнительных технологий, которые сопровождают их интеграцию. Интеллектуальные сетевые инверторы и средства расширенного контроля позволяют ВЭУ и СЭС оказывать услуги на том же, а возможно, и более высоком уровне, чем прочие виды традиционных электростанций. Эти технологии способствуют дальнейшему улучшению режима в энергосистеме и помогают диспетчеру, облегчая его работу за счёт того, что они самостоятельно и быстро по заданной программе, поддерживают режим в энергосистеме и повышают стабильность функционирования даже при наличии возмущения, без вмешательства диспетчера. ВИЭ уже сегодня помогают балансировать нагрузку в сети. В энергосистемах с ВИЭ и умными преобразователями улучшился режим напряжения в сети, облегчилось управление, повысилась степень экономичности. Диспетчеры отдают приоритет ВИЭ.
Так, например, СЭС и ВЭУ оснащённые интеллектуальными умными преобразователями наращивают выработку энергии и осуществляют регулирование мощности значительно более быстрым и более эффективным способом, чем классическое регулирование мощности на тепловой станции или даже на гидроэлектростанции. Солнечные станции обеспечивают гораздо более высокую точность и скорость реагирования, чем любой другой источник энергии.
Несмотря на опасения, интеграция ВИЭ в энергосеть оказалась не такой сложной и дорогостоящей задачей, как представлялось ранее. Более того, ВИЭ снабженные умными преобразователями показали свою способность предоставлении основных системных услуг не только при нормальных режимах, но и участвуя в устранении аварийных режимов.
Во многих странах с высокой долей СЭС и ВЭС реже всего происходят отключения электроэнергии. Незапланированные отключения электроэнергии составляют незначительную долю всех отключений на наземных и прибрежных ВЭУ. При этом для наземных ВЭУ частота и длительность отключений, и время восстановления системы меньше, чем для любых других установок. А на угольных и парогазовых электростанциях большинство отключений носят незапланированный характер.
За счёт ВИЭ выросли надежность и устойчивость энергосистем. Как это ни покажется странным, но сегодня надежность энергосистемы в тех странах, где доля ВИЭ велика, оказывается более высокой, чем она была до интеграции ВИЭ. Например, штат Техас с большой выработки ветровой энергии, в Европе энергосистемы стран лидеров по интеграции ВИЭ – Германия и Дания оказались самыми надёжными в мире.
ВИЭ В Казахстане
На данном этапе развития, весь мир идет по пути смены парадигмы централизованной энергетики, когда выработка электроэнергии ведется на крупных электрических станциях, мощностью в несколько тысяч мегаватт, передается на сверхдальние расстояния потребителям, терпя потери в распределительных сетях. В частности, эта ситуация характерна для РК. Например, единственный энергоизбыточный регион – это Павлодарская область, где производство электроэнергии ведется за счёт крупных угольных электростанций, мощностью от 1000 МВт и выше. Далее, электроэнергия передается в энергодефицитную южную зону. Если отследить цепочку передачи от генерации до потребителя в данном примере, и представить, что это 1 000– 1500 км линий разного класса напряжения, то возникает вопрос надёжности системы.
Концепция децентрализованной системы становится привлекательной для Казахстана, учитывая его огромные пространства и удалённость на значительное расстояние отдельных населенных пунктов от источника питания. Многие частные дома и хозяйства могут производить энергию для собственных нужд и тут же её потреблять, без потерь в сетях, при этом избыток произведенной энергии передавать в сети и участвовать на рынке электроэнергии. Поэтому распределённая генерация малой мощности на базе ВИЭ несмотря на то, что республика полностью энергодостаточна, для Казахстана актуальна.
Казахстан имеет потенциал для строительства новых объектов ВИЭ и их развития. Природно-климатические условия позволяют их реализовывать. Стоимость земли и стоимость рабочей силы в Казахстане значительно ниже, чем в Европе, поэтому недостатка с инвесторами не будет. Это прекрасно для строительства мощных сетевых станций на базе ВИЭ.
Однако надо создать условия для местного населения, которое с пользой для себя и для республики может с успехом развивать крышные солнечные станции. Именно поэтому и был широко приведён опыт использования ВИЭ в разных странах.
Создание стимулирующих нормативно-правовых норм позволит республике ощутить рост ВИЭ не за счёт инвесторов, а за счёт привлечения населения к развитию ВИЭ.
Продолжение следует …
Герман Геннадьевич ТРОФИМОВ
д. т. н., профессор, заслуженный энергетик СНГ и Республики Казахстан
Источник: eenergy.media