Чистая энергия: трудный возраст. Почему солнечные и ветряные электростанции стали головной болью?
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 ископаемых топлив, но что важнее, мягко, без последствий, заместить их 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) энергетик. 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)
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 проблемы 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 и 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, 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
Что касается первой, она возникает оттого, что альтернативные генераторы производят электроэнергию не в зависимости от текущих потребностей (как угольные или газовые станции), а в зависимости от капризов погоды и времени суток. Кроме того, даже места установки «чистых» электростанций сложно увязать с потребностями потребителей (понятно: ветру и солнцу нет дела до того, сколь сильно нуждаются в электричестве жители данного района). Всё это требует передачи электроэнергии сравнительно дальше и, соответственно, пересчёта/перестройки существующих линий электропередач. Но это требует и более точного контроля за состоянием 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), 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 за электрическими сетями 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 визуализуется компьютерами. Однако (и 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
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
Таким образом дано теоретическое «добро» на расширение доли альтернативной генерации до 35%. Что 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 на полную мощность, дабы покрыть потребности сети, оставшейся вдруг без такой экологичной, дешёвой, но такой непредсказуемой «чистой» энергии.