Человечеству хочется всего, побольше и аппетит растёт экспоненциально. А любые потребности подразумевают и энергию: если 100 лет назад человечество потребляло 50 эксаджоулей в год, сегодня 500 ЭДж, то где достать 5000 ЭДж к концу века и так далее? Перефразируя классика: “Бесконечность энергии лучше конечности наличием бесконечности”. На данный момент существует несколько решений и одно из них это Возобновляемые Источники Энергии (ВИЭ).

Электрогенерация эпохи ХХ века имеет фундаментальные недостатки, требующие современного решения: где-то в связи с глобальным потеплением дневные температуры поднимутся до +60, кого-то затопит поднявшимся океаном. России это касается мало, но наши соотечественники гибнут в угольных шахтах, сокращается продолжительность жизни населения из-за выбросов тепловых электростанций и так далее. У ВИЭ же есть свой принципиальный недостаток, который стоит на пути — непостоянство генерации.

Эксперименты с ВИЭ — есть результаты

Например, Дания удовлетворяет уже почти половину своего годового электропотребления за счёт ветряной энергии. Единственную проблему ВИЭ — непостоянство генерации — страна решает импортом электроэнергии у соседей, которым больше повезло в этот момент с ветром, солнцем или ещё чем-нибудь. Таким образом, для светлого возобновляемого будущего родилась и нашла частичное подтверждение концепция перетоков, когда одна страна Европы протягивает руку “ветра” или “солнца” другой стране и вроде все счастливы, да ещё и с ВИЭ. Концепция перетоков может работать только в случае ветряной энергии, так как солнце ночью “выключается” над достаточно большой территорией. Но помимо перетоков электроэнергию (э/э) можно аккумулировать.

На словах концепции перетоков и аккумуляции хороши, а что будет на практике в случае, например, Германии? Если для маленькой Дании у соседей всегда найдётся лишний гигаватт, то найдутся ли у соседей лишние 60 гигаватт для Германии? А сколько нужно аккумуляции? Гипотезы проверяются экспериментом, для чего понадобилась бы вторая Европа с альтернативной энергосистемой. Поэтому я решил смоделировать всё описанное выше: перетоки ветряной энергии между европейскими странами и аккумуляцию в условиях реальной ветряной и солнечной генерации.

Перетоки между странами

Представим себе, что ветряки и солнечные батареи равномерно стоят по всей Европе и вся территория окутана многочисленными линиями электропередач, позволяющими перебрасывать электроэнергию с одного конца Европы на другой. При штиле в Германии крутится ветряк в Англии, а если безветрие и там, то выручает Испания. Или Греция. Я взял реальные данные генерации с ветряков по нескольким европейским странам за 2015-й год, нормировал их на одинаковую мощность и выровнял между странами — получилась более ровная генерация, эмулирующая перетоки между странами. Например, январь:

Генерация с ветряков выровнялась, но эффект умеренный: различия между соседними минимальными и максимальными уровнями трёхкратны. При этом, потребление электроэнергии тоже неравномерно и совместно с неравномерностями “ветра” образуются ещё большие дисбалансы. Для построения же “ветряной Европы” выровненную генерацию нужно увеличить и дисбалансы будут очень существенны. Ниже график разных кратных увеличений генерации, где за единицу принят выровненный и нормализованный ветер по европейским странам:

Шестикратный “ветер” в целом чуть ниже потребления и образуются провалы, когда ветряная генерация обеспечивает только 30% от нужд. Если же попытаться закрыть эти провалы девятикратным “ветром”, то всё равно будут дыры в 100 ГВт, а избыток генерации составит 20%. Первые нужно чем-то крыть, а вторые это просто потерянная энергия, увеличивающая себестоимость. То есть, концепция “перетоков” сама по себе не решает.

Аккумуляция и модель

Второй способ обеспечить постоянство ВИЭ это аккумуляция электроэнергии в периоды высокой генерации и разрядка при низкой. На словах, опять же, звучит здраво, но судья гипотезе — эксперимент. Предлагаемая модель работает просто: если генерация с выровненного и нормализованного “ветра” и “солнца” больше чем потребление электроэнергии, то идёт зарядка аккумуляторов. Если меньше, то разрядка. Потребление и солнечная генерация тоже взяты с реальных почасовых данных европейских стран за 2015-й год.

Если сумма не дотягивает до потребления, а аккумуляторы пусты, то включается газовая генерация — без неё никак, не помирать же. Газовые ТЭС — друг ВИЭ и в отличие от угольных электростанций они встречаются в любой модели, посвещённой будущим энергосистемам. Во-первых, они могут окупаться, работая лишь пару недель в году — угольные так не могут из-за неподходящей структуры себестоимости (высокая доля капитальных расходов). Во-вторых, у газовых ТЭС гораздо меньше вредных выбросов.

Играясь с моделью можно увидеть, что полностью перевести электрогенерацию на ВИЭ крайне сложно. Перебрав 30000 комбинаций кратности “ветра”, “солнца” и объёма аккумуляции, можно найти наиболее дешёвую для полного удовлетворения электропотребления за счёт ВИЭ. А именно: 12-кратный “ветер” (1230 ГВт), 7-кратное “солнце” (385 ГВт) и 3000 ГВт*ч аккумуляции (⅔ среднесуточного потребления). Для февраля, одного из самых неудобных месяцев, всё выглядит так:

Что бросается в глаза при данном сценарии:

1. Генерация с ветряков почти постоянно превышает потребление. Это потребовалось для закрытия редких провалов, когда ветер ослабевает по всей Европе (11–12 февраля). В теории, провалы можно закрывать с помощью увеличенной солнечной генерации или большей аккумуляции, но получится дороже. Поэтому в данном раскладе теряется 44% электроэнергии, которая не влезла ни в потребление, ни в аккумуляцию.
2. Аккумуляторы простаивают без дела: постоянно забиты и за год только 8,5 циклов зарядки/разрядки (1% от всего потребления электроэнергии). Раз простаивают, значит вложения сложно окупить и с аккумуляторов электроэнергию придётся продавать в 25 раз дороже.
3. Главную роль играет “ветер” (подобие базовой генерации), а солнце на подмоге. Если считать по установленной мощности (ГВт), то “ветра” в 3 раза больше, если по генерации электроэнергии (ГВт*ч), что корректнее, то “ветра” в 6 раз больше.
4. Из-за первых двух факторов себестоимость электроэнергии выросла с идеальных $77 за МВт*ч (заложенных в модель как нечто среднее по реальной себестоимости) до $205. Стоимость инфраструктуры для выравнивания играет небольшую роль, так как меркнет на фоне нескольких триллионов долларов на “ветер”, “солнце” и аккумуляцию — именно во столько это обойдётся при текущих ценах. И десятки лет на производство, если забыть об остальных покупателях.

По размеру и сложности описанная энергосистема (целиком на ВИЭ) больше подойдёт даже не середине ХХI века, а концу, и, скорее всего, наше поколение будет лицезреть соседство квантовых компьютеров, искусственного интеллекта и “кипятильников” на угольных и газовых электростанциях.

Таким образом, человечеству придётся ещё много десятилетий выжимать последние соки из традиционных источников энергии. К слову, текущий ориентир передовой Германии по доле ВИЭ в 2050 году это 80%.

Нет худа без добра

Но есть и положительные моменты. Сложность энергосистемы с ростом доли ВИЭ растёт нелинейно и переход от текущей доли в модели в 16% к тем же 80% проще, чем от 80% к 100%. Прогон по комбинациям с долей ВИЭ в 80% дал такие результаты оптимального сочетания: 615 ГВт “ветра” (6х), 165 ГВт “солнца” (3х), 193 ГВт газовой генерации и отсутствие аккумуляции. Тот же февраль:

Потери составляют относительно скромные 6%, а себестоимость электроэнергии — $102,5 за МВт*ч. Превышение над идеалом составляет $25 за МВт*ч, куда входят потери и выравнивание, а также установка и использование газовой генерации.

Этот сценарий проливает свет и на необходимость резервировать ВИЭ традиционной генерацией, в нашем случае — газовой. Максимальное потребление в модели составляет 267 ГВт, а газа придётся установить под 200 ГВт. То есть, несмотря на идеальное выравнивание и доли ВИЭ в 80%, почти всю энергосистему придётся резервировать традиционной генерацией.

Касательно отсутствия аккумуляции: на данный момент это банально очень дорого (в модель заложена цена в $250 за кВт*ч). Во-вторых, “ветер” плохо дружит с аккумуляцией: периоды сильного и слабого ветра длятся днями, соответственно и объём аккумуляторов нужен на несколько дней потребления (10’000–20’000 ГВт*ч). Такой объём будет редко и мало использоваться, а значит будет сложно окупить. Для сравнения — современные мировые производственные мощности составляют около 100 ГВт*ч в год. Гораздо лучше с аккумуляцией дружит “солнце”, которое будет заряжать и разряжать аккумы каждый день, но из-за низкой зимней инсоляции их придётся ставить слишком много и летом энергия будет теряться, увеличивая себестоимость.

Прогоны модели на разных долях ВИЭ показывают, что варианты с «ветром» в основе оптимальнее. Ниже таблица для трёх долей ВИЭ, где варианты с разными кратностями «ветра», «солнца» и аккумуляцией отсортированы по себестоимости электроэнергии (LCOE):

Конечно, данная модель много чего не учитывает и вряд ли вся Европа будет окутана интерконнекторами на десятки ГВт — интересовали концепции на принципиальном уровне и общая ситуация. Поиграться с моделью можно в телеграмовском боте (Celado_bot) из прошлой статьи, в чате с которым можно лично смоделировать поведение энергосистемы, задав интересующие параметры “солнца”, “ветра” и аккумуляции.

Итак, кто же будет спасать возобновляемую энергетику?) При очень большом желании действительно можно построить энергосистему полностью на ВИЭ, спустив на “спасение” концепции несколько триллионов долларов (в текущих ценах) и в результате поиметь заоблачные цены на электроэнергию. При долях же меньше 100% спасти ВИЭ может тотальное резервирование газовой генерацией. Учитывая, что стоить это будет относительно немного, такой вариант не выглядит фантастичным!