Чистая энергия: трудный возраст. Почему солнечные и ветряные электростанции стали головной болью? Евгений Золотов

Чистая энергия: трудный возраст. Почему солнечные и ветряные электростанции стали головной болью?

Евгений Золотов

Опубликовано 04 октября 2013

Двадцать лет назад альтернативная энергетика была голубой мечтой — о чистом воздухе и бесконечных ресурсах. Сегодня — и совершенно незаметно для нас, живущих в России, где, не считая гидроэлектростанций, доля возобновляемых источников энергии составляет меньше одного процента в общей выработке, — мечта превратилась в реальность и... головную боль! Нет, ветряки не стали вдруг генерировать углекислоту, и для солнечных батарей по-прежнему предостаточно места. Но всплыли другие проблемы — в основном, скажем так, переходного возраста. В следующие десять–двадцать лет миру предстоит не только значительно ослабить зависимость от ископаемого топлива, но, что важнее, мягко, без последствий, заместить его энергией (прежде всего) солнца и ветра.

В последние несколько лет, сразу и как-то вдруг, стало понятно, что никто не задумывался всерьёз над тем, сколь тяжёлым окажется первое столкновение новой «чистой» и классической «грязной» (основанной главным образом на сжигании — угля ли, газа, производных нефти) энергетики. Проблемы, порождённые этим столкновением, уже не бумажные, не теоретические, а самые что ни на есть жизненные. К примеру, около месяца назад немецкий энергогигант RWE AG (номер первый по объёмам генерации в Германии, играющий и заметную роль в Европе) предупредил, что намерен сократить свои генерирующие мощности (газовые и в меньшей степени угольные) на 6% — в ответ на сокращение спроса на электроэнергию и сильное её удешевление (цены на электричество в Германии упали до минимального уровня с 2004 года).

Причиной же обоих факторов стала отчасти больная экономика, но в большей степени конкуренция со стороны компаний, эксплуатирующих ветряные и солнечные инсталляции. В RWE говорят так: многие обычные электростанции в Европе теперь убыточны — и виновата в этом прежде всего солнечная энергия! Схожие трудности испытывает и главный конкурент RWE, гигант E.ON.

Кто-то скажет: замечательно! И европейские законодатели с этим в общем согласны и продолжают субсидировать «чистую» генерацию и подталкивать к закрытию наиболее вредных для окружающей среды обычных электростанций. Однако в той же Германии, которая по объёмам альтернативной выработки идёт чуть ли не впереди планеты всей (20% её электропотребления сегодня удовлетворяется ветром, солнцем и им подобными) уже наметилась обратная тенденция: субсидии альтернативщикам планируется урезать. Почему? Правительство Меркель волнует не столько судьба «бедствующих» энергогигантов, сколько ситуация с энергобезопасностью страны. Но чем же плохи солнечные батареи и ветряки? Ведь солнце едва ли погаснет, а ветры — перестанут дуть. Нет, не погаснет и не утихнут, но у «чистой» энергии есть специфические особенности, к которым нужно приноровиться. А до тех пор, уменьшая классическую генерирующую базу, Германия (да и любой другой регион) лишает себя резервных мощностей, которые можно будет задействовать в случае возникновения непредвиденных ситуаций. И это только часть проблемы.

Чтобы представить сложность задачи, стоящей перед энергетиками, вообразите сеть из сотен узлов: одни потребляют электричество, другие его выдают. Каждый узел хоть и связан только с ближайшими соседями, естественно, в некоторой степени зависит и от функционирования даже самых отдалённых узлов сети: ведь если где-то рвётся линия, выходит из строя генератор, то нагрузка на другие линии и узлы моментально меняется — и где-то может банально не хватить толщины проводов, где-то окажутся недостаточно мощны трансформаторы на районных подстанциях, где-то электростанции не смогут покрыть локальных потребностей. Задача эта настолько сложная и многоуровневая, что энергетики низводят её до пресловутого «сферического тела в вакууме»: узлы представляют точками, линии — графами, у каждого элемента свой набор параметров — и получается матрица чисел, обсчитываемая на компьютере. (Интересно? Электротехнические факультеты ждут вас!)

Но появление значительного объёма альтернативных генерирующих мощностей усложняет задачу ещё на порядок. И в США, и в Европе сейчас запущены большие государственные программы изучения тех эффектов, которые возникнут в энергосетях при расширении доли альтернативной генерации хотя бы до одной трети. Конечная цель — гарантировать, во-первых, что потребители не останутся без электроэнергии, а во-вторых — что обычные электростанции смогут работать и будут заинтересованы в этом. Таким образом, задача разбивается на две — и обе в значительной степени ложатся на плечи компьютерных систем и айтишников.

Что касается первой, то она возникает оттого, что альтернативные генераторы производят электроэнергию в зависимости не от текущих потребностей (как угольные или газовые станции), а от капризов погоды и времени суток. Кроме того, даже места установки «чистых» электростанций сложно увязать с нуждами потребителей (понятно: ветру и солнцу нет дела до того, как много электричества нужно жителям данного района). Всё это требует передачи электроэнергии сравнительно дальше и, соответственно, пересчёта/перестройки существующих линий электропередач. Но это требует и более точного контроля состояния электросетей в каждый отдельный момент.

Представьте, во что превратится вышеупомянутая матрица, если в сети появится значительное количество альтернативных источников электроэнергии. Каждый дом сможет переходить от потребления к генерации, отдавая избытки электричества в сеть. И если раньше генерация шла только в отдельных узлах (собственно на электростанциях), то здесь всплески мощностей будут непредсказуемы ни во времени, ни географически! Так что мало спроектировать электросеть, которая выдержит такие нагрузки, нужно ещё научиться перетоками энергии управлять, а это требует очень быстрой реакции.

Сегодня, как говорят специалисты, контроль электрических сетей реализован на технике и технологиях с невысокой частотой дискретизации. Как диспетчеры, управляющие перетоками энергии в сетях, контролируют их состояние? С помощью так называемых SCADA-систем — попросту множества датчиков, разбросанных по линиям и подстанциям, информация с которых передаётся на общий пульт мониторинга, где наглядно визуализируется компьютерами. Однако (сильно упрощая) существующие SCADA-системы не способны работать с событиями короче нескольких секунд. Чтобы наделить сеть такой способностью, её необходимо насытить сенсорами и техникой, работающими очень быстро и без участия человека, — в общем, сделать «умной» (есть такой расхожий термин: smart grid). Здесь электроэнергетика пересекается с областью задач big data.

Как вы понимаете, даже если всё получится посчитать, то перестроить существующие электросети в «умную» сеть за короткий промежуток времени не удастся: это фантастически дорого. Вообразите, во что встанет модификация структуры, которая остаётся в общем неизменной последние сто лет! Между тем времени на размышления нет: пока Россия пребывает в нефтяном забытье, альтернативная энергетика в Европе и Соединённых Штатах развивается темпами, намного превышающими планы. И даже по Тут-тообязательному плану, утверждённому членами Евросоюза, большинство европейских государств через семь лет должны будут покрывать свои потребности в электричестве «чистой» энергией минимум на четверть! и всплывает неприятный нюанс: в существующем виде электроэнергетические системы не смогут без вреда для себя выдержать увеличения доли «чистых» источников выше одной пятой от общего объёма генерируемой мощности.

К счастью, решение есть. Сильно упрощая, идея сводится к тому, чтобы оперативно управлять обычными электростанциями в зависимости от потребностей в конкретный момент в конкретном районе. То есть, к примеру, солнечным летним вечером, когда потребители удовлетворяют свои потребности в электричестве сами, газовые электростанции нужно временно «выключить» (на самом деле — перевести в «холостой» режим), а когда солнце скроется, включить снова. Большой вопрос до последнего времени заключался в том, не перекроют ли возникающие дополнительные расходы (часть времени топливо расходуется впустую, ускоряется износ генераторов и т. п.) выгод от экономии, предоставляемых «чистой» энергией. На прошлой неделе Минэнерго США опубликовало отчёт о серии исследований, посвящённых этому вопросу, с общим оптимистическим выводом: не перекроют! Несмотря на то что каждый мегаватт будет в среднем на доллар дороже, экономия больше в десятки раз.

Таким образом, дано теоретическое «добро» на расширение доли альтернативной генерации до 35%. Это, в свою очередь, означает, что и США, и Европа смогут развиваться, не задумываясь о кардинальной перестройке электросетей, до 2020 года. После этого в полный рост встанет проблема модификации устаревших систем: понадобятся новые ЛЭП, станции аккумуляции электроэнергии, точное прогнозирование погоды хотя бы на сутки вперёд, вовлечение альтернативных генерирующих мощностей в процесс регулируемой генерации (не вечно газовым и угольным станциям за всех отдуваться!) и... субсидирование уже классических электростанций, которые тоже должны будут перестроиться. Важнейшим качеством обычных электростанций новой эпохи станет способность оперативно выходить с нулевой мощности на полную, дабы покрыть потребности сети, оставшейся вдруг без такой экологичной, дешёвой, но такой непредсказуемой «чистой» энергии.

В статье использованы иллюстрации Warren Rohner, Kevin Dooley, Jonathan Doig.

К оглавлению