В последнее время возобновляемая энергетика (ВИЭ) сильно на слуху: в Европе нацелились на «зелёный переход», США и Китай постоянно вводят толпами ВИЭ-генерацию, да и у нас ветрогенератором уже особо не удивишь.
Соответственно, возникает вопрос, а как эти новшества взаимодействуют с традиционной электроэнергетикой, основанной на гидро-, тепло- и атомной генерации? Давайте разбираться.
ВИЭ бывают трёх основных видов:
1) Гидроэлектростанции (ГЭС). Самый распространённый и самый старый вид возобновляемой электроэнергетики. Именно поэтому эти станции то включают в состав ВИЭ, то исключают из него.
Когда нужно поругать Россию за неразвитость ВИЭ — исключают, когда нужно похвалить Украину — включают.
В последнее время с возобновляемостью у ГЭС в ряде регионов (в той же Европе) наметились проблемы – глобальное потепление приводит к уменьшению количества выпадающих осадков, поэтому возникают проблемы с наполнением водохранилищ.
2) Ветряные электростанции (ВЭС). На самом деле их тоже не вчера придумали – в Крыму ВЭС построили ещё до Великой Отечественной.
3) Солнечные электростанции (СЭС). Они делятся на фотоэлектрические (где электроэнергия вырабатывается солнечными панелями) и различного вида нагревательные, где солнечная энергия используется для получения пара (а-ля традиционная ТЭС с поправкой на специфические условия работы СЭС).
Помимо этих трёх типов к ВИЭ относят геотермальные электростанции, приливные (которые по факту — разновидность ГЭС) и био- (не понятно почему, по факту это разновидность ТЭС, позволяющая, разве что, лучшим образом утилизировать биомассу).
Итак, каким образом эти электростанции встраиваются в энергосистему?
Проще всего дело обстоит с гидроэлектростанциями — они, собственно, стояли у истоков создания энергосистем (совместно с ТЭС), соответственно, очень хорошо в них встраиваются, в частности, очень часто используются для балансировки генерации/потребления в связи со своей отличной маневренностью (способностью быстро набирать/сбрасывать мощность) и предсказуемостью. При этом ГЭС, в отличии от ВЭС и СЭС, выдают переменный ток промышленной частоты.
Более-менее понятно, чего стоит ждать от СЭС. В идеале генерация солнечных электростанций – это обрезанная по нулю синусоида. Её, конечно, можно увеличить за счёт применения механизма поворота панелей (наибольшая эффективность фотоэлементов – при перпендикулярном падении на них солнечных лучей), вопрос в возможной окупаемости такого явно недешёвого устройства.
А вот у ВЭС с предсказуемостью достаточно грустно. Конечно, при развитой метеорологической службе можно достаточно точно предсказать выработку этих станций в течение дня, но графики генерации разрабатываются, как правило, сильно заранее.
Как же быть? Для энергосистемы со значительной ветрогенерацией возможны четыре варианта:
1) Румынский вариант. Когда имеется хороший ветер, то Румыния пользуется привилегированное положение ВИЭ в Европе — и загоняет избыток электроэнергии всем подвернувшимся под руку соседям. Но вот когда ветра нет, и существующей прочей генерации не хватает для покрытия потребления - «спасите-помогите!» - теперь уже соседи помогают, чем могут.
2) Шведский вариант. Тамошние ВЭС имеют могучую крышу в виде ГЭС, в том числе забугорных (Норвегия). В таком случае любой небаланс ветрогенерации покрывается работой маневренной гидрогенерации.
На самом деле, конкретно шведский вариант сильно попахивает бредом — непредсказуемую ВИЭ-генерацию балансируют предсказуемой, но тоже ВИЭ. Резонный вопрос — на фига нужна непредсказуемая, в принципе?
3) Литовский вариант. Там ВЭС прикрывает достаточно мощная ГАЭС. То есть, при переизбытке ветрогенерации вы заполняете водохранилище ГАЭС и дальше начинаете ждать, когда наступит её недостаток.
Этот вариант очень даже ничего, но тут возникает проблема с работой ГАЭС: как правило, традиционные аккумулирующие электростанции рассчитаны на суточный режим работы, а из ветра такой режим характерен разве что для бриза (прибрежного ветра, возникающего из-за разности температур воздуха над морем и сушей). Соответственно, ГАЭС для балансировки ВЭС должны иметь некое особое обоснование по своей мощности и ёмкости. Очевидно, что экономически вариант так себе – ГАЭС при продолжительной хорошей ветрогенерации будет тупо простаивать, а при длительном её отсутствии – не факт, что расчётной ёмкости хватит.
4) Нормальный вариант — когда ВЭС приходится балансировать тем, чью работу они, собственно, и пытаются минимизировать — обычным ТЭС.
ПМСМ, вся эта тягомотная фигня с ВИЭ обязана двум вещам: желанию подзаработать и отсутствием в некоторых местах (той же континентальной Европе) более традиционных источников энергии — нефти и газа. Забота об экологии, конечно, тоже имеет место быть, но экономические причины, очевидно, на первом месте. Напомню, что всплеск заботы об экологии пришёлся на середину 70-х годов, когда нефтедобывающие арабские страны ввели нефтяное эмбарго против западных стран из-за поддержки Израиля.
Выглядит это достаточно просто – резерв мощности, предназначенный для балансировки генерации/потребления приходится увеличивать на размер предполагаемой выпадающей ВИЭ-генерации.
Естественно, размер этого предположения зависит от точности прогноза выработки ВИЭ-генерации – фактически от количества и качества метеорологических станций и точности выдаваемых ими прогнозов. Как видим выше, на примере вполне себе европейской Литвы, эти прогнозы достаточно неточные, но всё-таки на весь размер генерации не промахиваются. Подозреваю, что у нас с этими прогнозами дела обстоят похуже, соответственно, и перезакладываться приходится сильнее.
А что такое резерв, в случае ТЭС? Это паровая турбина, работающая на холостом ходу, т.е. она вращается (3000 оборотов в минуту, если что), но не вырабатывает электроэнергию, т.к. на обмотки возбуждения не подаётся напряжение. Вращение турбины, естественно, требует подачу на неё пара, то есть горения (расхода) топлива. Расход топлива в режиме холостого хода достаточно заметен – 5-10 % от номинального. И в отличии от нормальной работы, эти проценты реально просто коптят небо. Естественно, количество подобных резервных турбин зависит от величины выпадающей мощности - какая-нибудь Кочубеевская ВЭС (210 МВт, Ставропольский край) легко закрывается парой энергоблоков по 150 МВт расположенной поблизости Невинномысской ГРЭС.
Фактически получается, в адекватной среднестатистической энергосистеме, никакие ВИЭ не смогут обеспечить нормальное и безуглеродное функционирование (речь только про эксплуатацию, про производство и утилизацию я даже не говорю).
Исключения, типа Норвегии (где рельеф позволяет строить работу энергосистемы от ГЭС, 96% генерации, остальное – ВЭС) или Исландии (68,8% - ГЭС, остальное – геотермальная и ТЭС (в 7 раз меньше ГтЭС)) – крайне специфичны. Даже в горной Швейцарии около 40% генерации – это АЭС.
Какие можно сделать из этого выводы?
1) Из всей ВИЭ-генерации наиболее адекватными являются ГЭС: наиболее предсказуемые, маневренные и работающие на токе промышленной частоты;
2) ВЭС и СЭС имеют серьёзные недостатки: плохую прогнозируемость (у СЭС получше, у ВЭС похуже), выработка электроэнергии происходит на постоянном токе, соответственно в энергосистему она выдаётся с применением инверторов (что отражается на её качестве). Однако они вполне могут применяться в соответствующих климатических зонах. Дополнительными условиями применения этих электростанций является наличие резерва генерации (желательно маневренными энергоблоками ТЭС), а ещё лучше – ГАЭС;
Адекватным выглядит применение ВИЭ в Крыму: серьёзные ГЭС построить невозможно, однако для СЭС и ВЭС условия более чем подходящие (особенно для СЭС). Резерв обеспечивается новенькими ТЭС с парогазовыми установками и связью с ЕЭС России (пока только через Крымский энергомост, но потенциально – и через Донбасс). И – предполагается строительство ГАЭС. А вот строительство Кольской ВЭС вызывает вопросы, потому что в напарниках по энергосистеме у неё Кольская АЭС и многочисленные, но не очень мощные ГЭС.
3) Сочетание ВЭС/СЭС и ГЭС бессмысленно само по себе, т.к. все эти виды генерации относятся к ВИЭ и фактически работают за счёт друг друга;
4) С другой стороны, необходимо поддерживать компетенции в применении СЭС/ВЭС, благо существуют условия для их применения, как в качестве основного, так и резервного источника электроснабжения.