• РЕГИСТРАЦИЯ

Кто спасёт возобновляемую энергетику? Истина в модели

26 4150

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. Иными словами, обсуждаемый вопрос для всех важен и холиварен, и мы постараемся пролить немного точности и конкретных цифирок на него.

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 нам понадобилась бы вторая Европа с альтернативной энергосистемой. Поэтому мы решили 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. Мы взяли реальные данные генерации с ветряков по нескольким европейским странам за 2015-й год, нормировали их на одинаковую мощность и выровняли 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 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, мы нашли 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, как и упоминалось в наших прежних публикациях и концепции “Мира на пике”, 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). Для сравнения - современные мировые производственные мощности составляют около 100 ГВт*ч в год. Такой объём будет редко и мало использоваться, а значит будет сложно окупить. 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.

Конечно, данная модель много чего не учитывает и вряд ли вся Европа будет окутана интерконнекторами на десятки ГВт - нас интересовали концепции на принципиальном уровне и общая ситуация.

Итак, кто же спасёт 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 меньше 100% спасти ВИЭ может тотальное резервирование газовой генерацией.

Вячеслав Лактюшкин, специально для celado.ru

Энергетика и экономика

    Что ж ты, джентльмен, сдал назад?

    Так вот почему британцы вдруг резко расхотели  отправлять наземные войска на Украину? The Times приводит сегодня слова коммодора авиации Блайта Кроуфорда, который до прошлой недели...

    Попову дали пять лет. На СВО? "Нет вакансий!" А он журналистам: "Спасибо, ребята"
    • Beria
    • Вчера 10:49
    • В топе

    Тамбовский гарнизонный суд дал генералу Ивану Попову 5 лет. С отбыванием в колонии общего режима. А ещё, по решению суда, экс-командарм должен выплатить штраф в 800 тысяч рублей. В этом деле, к...

    Ваш комментарий сохранен и будет опубликован сразу после вашей авторизации.

    0 новых комментариев

      Economic review 14 июля 2021 г. 00:09

      Космические пуски июнь + итог за полгода

      Очередная статистика космических пусков. Июнь 2021 - рекордный в этом году - 14 пусков. Начал месяц Китай с погодным спутником, отправленным 2 июня.Затем 2 пуска 03 и 06 июня произвели SpaceX, сначала был отправлен груз на МКС, затем отправлены спутники для радио. SpaceX в этом месяце вообще провёл много чисто коммерческих запусков, 17 июня была отправле...
      2178
      Economic review 23 июня 2021 г. 00:45

      Картинка дня: Глобальное потепление

      Нашёл интересный ресурс, который позволяет смотреть температуры за последние 100-250 лет https://showyourstripes.info/Слева выбираете регион или страну, справа - тип диаграммы и изучаем.На графике отображаются средние годовые температуры.Например, что я построил:Россия Северо-ледовитый океан Европа ...
      2237
      Economic review 13 июня 2021 г. 21:42

      Космические пуски: май 2021

      Традиционная статистика космических запусков.4-й месяц подряд запускается 12 ракет. 5 мая впервые не взорвался Starship. Здесь с 6:22 полный полёт. До 2023 года, когда 8 человек должны долететь до Луны на старшип осталось не так много времени, так что впереди новые испытания.Кроме этого SpaceX ещё делал запуски 4,9,15 и 26 мая. Было вывед...
      1888
      Economic review 11 июня 2021 г. 00:23

      Картинка дня: 100 крупнейших компаний мира

      данные отсюда.Если открыть первоисточник то будет хорошо видно.Больше всего компаний технологического сектора, их 20 и их капитализация - треть от общей. Больше всех за год выросли Paypal, аналог яндекс еды в Китае - Meituan, и Tesla, благодаря 6 прибыльным кварталам подряд и первому прибыльному году (с выручкой в $31 млрд). Также выросли ниде...
      980
      Economic review 30 мая 2021 г. 01:08

      Статистика космических пусков (апрель)

      Хоть и с опозданием, но проведу обзор пусков за апрель 2021 года! Они того стоят! Первый апрельский пуск был лишь 7 числа, видимо, даже космонавтам не чужды пасхальные каникулы. SpaceX отправил очередные 60 старлинков. Ещё такая же партия  была ими отправлена 29 апреля.Также 25 апреля очередные 36 OneWeb Союзом 2.1b отправила Франко-российская...
      2305
      Economic review 15 апреля 2021 г. 18:18

      Статистика космических пусков в марте 2021

      Итак, традиционные ежемесячный обзор "кто же покорял космическое пространство в марте 2021 года". За март так же как и в феврале было 12 пусков, что меньше запланированного, но как есть.При этом половина всех пусков была осуществлена компанией Space X.3 и 30 марта производились пуска очередных (SN-10 и SN-11) прототипов StarShip, 3 марта его да...
      1988
      Economic review 14 марта 2021 г. 05:30

      Атомный ренессанс

      Намерение мирового сообщества снизить к 2050 году выбросы промышленностью СO2, привело к необходимости изменить привычные источники энергии, потребляемой в повседневной жизни.  Сейчас потребление конечной энергии по источникам выглядит так Огромная доля - это нефть, затем идёт электроэнергия, газ, уголь. Для достижения поставленных в п...
      3599
      Economic review 8 марта 2021 г. 18:27

      Картинка дня: Где делают iPhone

      Где делают "американский" или "китайский" iphone? Как оказалось, мир сложнее, чем казалось, и производство одного телефона загружает 9 заводов в 6 странах.Процессор и память делает Samsung в Южной Корее (тем смешнее их конкуренция с Apple).Экран, звук и флеш память производят на трёх разных заводах в СШАУправление питанием в ИталииКомпоненты связи в Герм...
      3880
      Economic review 6 марта 2021 г. 23:24

      Техас и ледяные ветряки

      Как обещал в прошлой статье - разбор ситуации в Техасе. Я прекрасно осознаю, что 99% читающих твёрдо убеждены, что виной энергетического коллапса в Техасе является то, что там замёрзли ветряки, которые глупые пиндосы наставили вместо газовых ТЭС. Это тема очень активно пропагандировалась и на этом ресурсе и на Афершоке. 10 лет назад, когда произошла ката...
      7199
      Economic review 4 марта 2021 г. 18:56

      Развеиваем мифы о зелёной энергетике. Субсидии и другие ответы.

      Уважаемые читатели весьма бурно отреагировали на статью о достижениях ВИЭ за последние 10 лет. Статья сразу оказалась в топе обсуждаемых, что приятно, хотя уровень обсуждения оказался чрезвычайно слабый. Уважаемые комментаторы крайне редко подтверждали свои тезисы ссылками, а многие утверждения оказывались ложными. Ответив раз по пять на одинаковые вопросы, я решил на...
      4618
      Economic review 3 марта 2021 г. 01:44

      Статистика космических пусков в феврале 2021

      Хотя главный событием в космической отрасли февраля (а может и всего 2021 года) безусловно является успешная посадка Персеверанс, о котором можно и нужно писать много как об одном из современнейших достижений человечества, темой настоящего обзора будет как и в прошлый раз статистика пусков за месяц.В коротком феврале было целых 12 пусков.Начался месяц с...
      2074
      Economic review 17 февраля 2021 г. 16:29

      Британские ветряки поставили рекорд выработки

      Не планировал писать таких мелких статей, но количество абсурда и бреда в комментариях к заметке о стоимости ВИЭ зашкаливает.Итак, в ответ на тезис, что зимой ветряки замёрзнут, и они маломощные, так что металлургию ими не обеспечить пришли новости из Британии. Арктический циклон с морозом и ветром помог ветрякам в Британии поставить новый рекорд&nb...
      3974
      Economic review 16 февраля 2021 г. 23:39

      Статистика космических пусков в январе

      После прочтения трилогии "Задачи трёх тел" Лю Цысина (кто не читал, крайне рекомендую!), появился большой интерес к космосу и проектам, которые с ним связаны. И здорово, что именно сейчас человечество снова активно устремилось к другим планетам, астероидам и Луне. В этом году должны долететь миссии ОАЭ, Китая и США к Марсу, наверняка будет интересно, но пока этого не ...
      1624
      Economic review 15 февраля 2021 г. 22:46

      Картинка дня: Космос

      Разбивка мировой космической экономики в 2019 году.Интересно, что треть - это производство оборудования для спутников.Вложения США больше вложений остальных государств вместе взятых, а Европа и Китай почти равны, при этом пусков у Китая больше.Источник...
      1711
      Economic review 14 февраля 2021 г. 15:12

      Развеиваем мифы о зелёной энергетике. Стоимость.

      В настоящее время в рунете встречается большой объём противоречивой информации о себестоимости электроэнергии, получаемой с возобновляемой источников - солнца и ветра. Диапазон мнений весьма широк: от того, что ВИЭ это манна небесная, которая спасёт человечество от энергетического голода и разорит страны-экспортёры углеводородов, до версии что это тупиковая и гибельна...
      7336
      Economic review 22 ноября 2020 г. 13:18

      Меняющийся мировой порядок. Как гибнут нации.

      В прошлый раз мы изучили, как возникает могущество империи. Что становится источником богатства, военной мощи и процветания. На пике развития империя обладает мощнейшей армией, резервной валютой, современным производством и сильными торговыми позициями. И всё равно начинает уступать другим странам. Почему? Рей Далио даёт следующий ответ:1) В процвет...
      4440
      Economic review 20 ноября 2020 г. 17:23

      Пик нефти уже прошёл!

      BP недавно выпустил отчёт в соответствии с которым пик спроса на нефть миром пройден Красным - различные текущие сценарии. Бледно-красным сценарий - "Если ничего не менять". Синим - предыдущие.Существенную роль в этом сыграли ограничения из-за ковид. Но и идея по снижению выбросов CO2 играет роль. К концепции Net Zero присоединились уже Япония, Корея, СШ...
      974
      Economic review 15 апреля 2020 г. 04:06

      Далио: Меняющийся мировой порядок. Где мы и куда движемся

      Об авторе: Рей Далио - один из богатейших людей планеты, основатель и руководитель в течение более чем 30 лет хедж фонда Bridgеwater, в настоящее время - крупнейшего хеджфонд мира с лучшими показателями доходности за последние десятилетия. Основой успешных инвестиций стали поиск математических закономерностей, корреляций и трендов. Далио одним из первых начал использо...
      11315
      Economic review 6 сентября 2017 г. 10:54

      Нефть укрепляется в ХХI веке благодаря низким ценам

      Три года назад обвалились цены на нефть и ожидалось, что это ненадолго. Но с тех пор странности в нефтянке затянулись и всё напоминает приключенческую игру: кто-то собирается в клан и продвигает свои правила, некоторые отшельники ведут себя тихо и медленно наращивают добычу. А кому-то не повезло и их локации исчерпали запасы чёрного золота. Параллельно в игровое прост...
      3187
      Economic review 16 августа 2017 г. 09:43

      Новая промышленная революция проходит незамеченной

      Оглядываясь на века назад можно увидеть как стремительно менялся мир. Полвека туда, полвека сюда и вот уже пролетела первая промышленная революция! А потом и вторая. Но для современников всё происходило медленно, сменилось несколько поколений и оценить переломный момент было непросто. Возможно, через несколько десятилетий кто-то адекватно укажет и на очередную промышл...
      8036
      Служба поддержи

      Яндекс.Метрика