• РЕГИСТРАЦИЯ

Кто спасёт возобновляемую энергетику? Истина в модели

26 3921

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

    Россия против Запада: гонка на выживание

    Я всегда говорил и буду говорить, что силовые методы во внутренней и внешней политике — последний довод. Не невозможный, не запрещённый, не аморальный, а именно последний.Моральные оцен...

    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...
      1908
      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 ...
      1949
      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...
      1637
      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...
      732
      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...
      2039
      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...
      1730
      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...
      3390
      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...
      3613
      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...
      6908
      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...
      4277
      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...
      1743
      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...
      3633
      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 ...
      1404
      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...
      1445
      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...
      6970
      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...
      4109
      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...
      685
      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...
      10854
      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...
      2912
      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...
      7816
      Служба поддержи

      Яндекс.Метрика