Надежная энергосистема США на возобновляемых источниках энергии

Арджун Макхиджани[1]

Может ли энергетическая система, которая целиком основана на возобновляемых источниках энергии, быть как минимум такой же надежной, как действующая сегодня в США? Отсутствие четкого ответа на этот вопрос до сих пор убеждало многих думающих людей в том, что атомная энергия должна «оставаться в резерве», так как мы постепенно прекращаем применение ископаемых видов топлива, особенно угля, для генерирования электроэнергии из-за проблем, связанных с изменением климата. 

Сегодня уголь – это топливо, занимающее примерно половину всего энергопотребления США. На ядерное топливо и топливо из природного газа приходится по 19 %. Почти все остальное топливо поступает из гидроэнергетики, геотермальных источников и древесных отходов. Ветер и солнце занимают менее одного процента, что в основном относится к ветру. Выработка электричества происходит чрезвычайно централизованным образом, 95% энергии генерируют крупные электростанции.  

Нет сомнения, что эти ресурсы существуют для перехода на целиком возобновляемую энергосистему. Одни только наземные ветроэнергетические ресурсы 20 основных ветровых штатов страны примерно в два с половиной раза превышают объем всего производства электроэнергии в США. В термодинамическом отношении они приблизительно сопоставимы объемам всей нефтедобычи стран-членов ОПЕК (Организация стран-экспортеров нефти) вместе взятых. Существует также дополнительный потенциал морских ветроресурсов. Ресурсы солнечной энергии хотя бы от одного процента на всей территории США, преобразованные в электроэнергию при 20% эффективности, втрое богаче ветровых ресурсов.    

Вплоть до недавнего времени основная проблема возобновляемых источников энергии заключалась, если сравнить с ископаемым топливом, в экономике. Однако здесь не учитываются затраты на выбросы углекислого газа, который серьезно нарушает мировой климат. И более чем за десять лет ветроэлектричество стало таким же экономичным источником, как и атомная энергия, хотя и не сравнимо с экономичностью угля, без учета затрат на выбросы CO₂. 

Как отмечено в сопроводительной статье о затратах на атомную энергию («Затраты на атомную энергию: все выше и выше»), затраты на производство солнечной фотогальванической электроэнергии (ФЭ) быстро снижаются, а  на атомную электроэнергию - растут. Затраты на среднемасштабное и крупномасштабное применение солнечного фотоэлектричества примерно эквивалентны затратам на электроэнергию, генерируемую в периоды пиковых нагрузок с применением одноступенчатых турбин на природном газе.  Ожидается, что примерно через десять лет стоимость солнечной фотоэнергии сократится до10 центов за кВтч или ниже.  

Далее, сегодня солнечные тепловые электростанции начинают широко применять после почти двадцатилетнего перерыва.[2] Например, крупное предприятие Северной Калифорнии PG&E договорилось о закупке 553 мегаватт энергии у солнечной тепловой электростанции, которую должны построить в пустынном районе Северной Калифорнии. К 2020 году компания по поручению штата планирует расширить объемы закупок солнечной тепловой энергии до 1000 мегаватт. [3]

Перебои с энергией

Основной проблемой ветра и солнца является их непостоянство. Солнечная энергия по определению является дневным источником энергии, и ее наличие меняется в зависимости от времени года, в большей степени это происходит в северных широтах. Ветровая энергия также непостоянна, может серьезно меняться за один час и день, к тому же  имеются еще и сезонные колебания. Однако это непостоянство при получении энергии не является препятствием для перехода к надежному энергетическому сектору с возобновляемой энергией, если такие источники будут включены в энергосистему в плановом порядке и при надлежащем внимании к географическому и другим факторам, а также резервным мощностям.

На сегодняшний день около 0,7 процента энергоснабжения США обеспечивает ветровая и солнечная энергии, но преимущественно вся  - ветровая. Увеличение ветровой энергии до 10 процентов или выше от общего генерирования электроэнергии, с обеспечением  при этом  надежности ее поступления, оказалось выполнимо для Европы. Например, для Дании, где около 20% энергии вырабатывается за счет ветра. Увеличение ветроэлектричества до нескольких процентов требует наращивания дополнительных резервных мощностей для того, чтобы обеспечивать надежность этой энергосистемы.

Разработка ветроресурсов с использованием огромных районов, где  они доступны, дает большие преимущества в сокращении времени, когда общее генерирование энергии за счет ветра является низким. Исследования показали, что затраты на интеграцию ветровой энергии в единую энергосистему могут оставаться умеренными или низкими до довольно высоких степеней проникновения, если систематически учитывать географическое распространение, как один расчетный коэффициент при использовании этого ресурса.

Например, научное исследование, проведенное по заказу  властей штата Миннесота, показало, что способность прогнозировать наличие ветровых ресурсов значительно выросла, когда повысили географическое многообразие генерирования энергии ветра. Территориальное рассредоточивание ветротурбин не только сокращает периоды отсутствия или наличия малых объемов ветровой энергии, но и улучшает надежность прогнозирования ветра, на чем и основывается необходимость в резервных мощностях. Один из выводов заключался в том, что резервные требования к энергосистеме штата Миннесота должны были вырасти с 5 процентов при нулевой генерации ветровой энергии до более 7 процентов при 25-процентном производстве электричества за счет ветра. Это довольно умеренные затраты. В энергосистеме США имеется достаточное количество резервных мощностей, которые способны удовлетворить такой дополнительный спрос.

В новом научном исследовании, проведенном в Стэндфордском университете, сделаны еще более серьезные выводы. В работе изучались ветряные фермы, распределенные на территориях пяти штатов –  Нью-Мексико, Колорадо, Канзас, Оклахома и Техас:

Было установлено, что в качестве надежной базисной энергонагрузки может использоваться  в среднем 33% и максимально 47 % ветровой энергии от объединенной системы ветряных электростанций. Также важно, что подсоединение многих ветряных ферм к общей точке, затем соединение этой точки с отдаленным городом может сократить протяженность передаваемых  мощностей, например, на 20% с потерей энергии лишь на 1,6%.

Доля надежной мощности может также увеличиться за счет координированного прироста мощностей с солнечной энергией. Ветер зачастую усиливается в ночное время, так что крайне выгодно соединить развитие производства ветровой и солнечной энергии таким образом, чтобы сократить затраты на эту самую надежность.

Общее планирование надежности

Какой бы способ перспективного развития энергетического сектора не был выбран, планирование на различных уровнях власти – местной, штата, региональной и федеральной – крайне необходимо для поддержания надежности системы, не говоря уже о повышении этой надежности.

Ветровую и солнечную энергию можно и нужно сочетать с резервом гидроэнергетики и природным газом. При сегодняшних ценах на природный газ, которые превышают 6,50 доллара США за один миллион Бте, экономически выгодно использовать природный газ в качестве резерва для энергии ветра. Пока стоимость солнечной фотоэнергии снижается до примерно 10 центов за кВтч (это приблизительно 50 процентов от сегодняшнего уровня  в 20 центов за кВтч), резервные запасы природного газа можно также использовать в целях экономии при использовании солнечной электроэнергии. Никаких дополнительных мощностей для использования природного газа наращивать не потребуется, поскольку их в стране и так в избытке. В 2006 году использование в сфере электрических услуг   мощностей для генерирования природного газа составило ниже 19%. Это потому, что огромное количество мощностей для использования природного газа было создано в 90-е  и первые годы этого десятилетия с расчетом на то, что цены на него останутся на низком уровне. Однако ничего подобного не произошло. Эта экономическая ошибка дает отличную возможность не только минимизировать применение природного газа при быстром росте доли участия солнечной и ветровой энергии в электроэнергетическом секторе, но и обеспечить общую стабильность этой системы. Этот вывод необходимо объяснить более подробно для развития возобновляемой энергии в любой энергосистеме, которая функционирует в США, а также в целом для трех регионов в 48 штатах – Восточного, Западного объединений и энергосистемы Техаса, известной как  ERCOT (Совет энергетической надежности штата Техас).

При надлежащем планировании и правилах относительно эффективности, требуемых резервных мощностей, координации развития солнечной и ветровой энергии для повышения надежности системы, не должно быть никаких проблем с повышением доли участия возобновляемых источников энергии и ТЭЦ примерно с 5% на сегодняшний день до около 40 % в 2030 году (без учета гидроэнергии). Более скорый переход также возможен при условии правильной координации и политики.

Через 15-20 лет могут потребоваться серьезные мощности для накопления энергии и некоторые мощности базисных нагрузок, которые работают на источниках энергии под контролем оператора, для замещения угля и атомной энергии. Возможно, спрос на такие мощности можно минимизировать за счет строительства «умной энергосистемы», чтобы определенные виды бытовых и офисных электроприборов функционировали именно в периоды наличия возобновляемого электричества. Однако каким бы ни был выбранный способ, для надежности системы потребуются серьезные объемы резервной энергии и базовые компоненты.

Во-первых, необходимо отметить, что на развитие и внедрение подобных технологий в серьезных масштабах уйдет пятнадцать-двадцать лет. К источникам базисных и квазибазисных мощностей относятся:

·         Твердые биомассы, например, высушенные водоросли или высокопроизводительные водоросли

·         Геотермальная энергия горячих пород

·         Солнечные тепловые электростанции с 12-часовым накоплением энергии

Тепло-гидроэлектроцентраль, а также энергетические и резервные установки комбинированного цикла, работающие на биогазе, способны обеспечивать для системы дополнительные элементы надежности и гибкости.

Существует ряд технологий энергонакопления, которые могли бы быть использованы, в том числе:

·         Аккумулирование энергии в сжатом виде в подземных пещерах

·         Готовые  к работе стационарные аккумуляторные батареи

·         Аккумуляторы в электромобилях и/или подключаемые гибриды, которые подсоединяются к общей энергосистеме на время парковки автомобиля – система, которая называется «технология подключения автомобилей к энергосистеме» (или “vehicle to grid” (V2G)). Систему V2G можно комбинировать с развитием солнечной ФЭ в среднем и малом масштабах. Компания Google совместно с компанией PG&E начала развивать эту идею.

Технология аккумулирования и сохранения энергии путем закачки сжатого воздуха уже продемонстрирована. Разработаны стационарные  аккумуляторные батареи, прежде всего натриево-серные. В сентябре 2007 года в городе Колумбус, штат Огайо, компании «Tokyo Electric Power» и «American Electric Power» торжественно открыли демонстрационный проект первой натриево-серной аккумуляторной батареи. [4]  Эти батареи были также протестированы в Японии.

Если государственная политика сделает соответствующий сильный акцент на подключаемые гибриды и электромобили в предстоящем десятилетии, есть все шансы, что одна или несколько технологий по энергонакоплению будут освоены и поставлены на коммерческую основу в рамках развития электромобилей. Электромобили или подключаемые гибриды способны сделать накопление электроэнергии еще дешевле аккумуляторных батарей, если зарядка или разрядка батарей происходит намного дольше, чем это необходимо для эксплуатации автомобиля в течение всего срока службы, то есть около десяти лет. Американская компания «Altairnano», город Рино, штат Невада, уже создала ионно-литиевые батареи, которые прошли такую проверку. В 2007 году компания «Phoenix Motor Car» приступила к установке этих батарей в электрогрузовик. Такие аккумуляторы до сих пор стоят очень дорого, отчасти из-за новизны самой технологии, а отчасти из-за небольшого производственного масштаба.

Система V2G была бы особенно привлекательной в форме аккумулирования электроэнергии. У автомобилей намного больше установленной мощности, чем у электрической системы и, кроме того, более 90% времени они не используются. Несколько процентов автомобилей, подсоединяемых в любое время  к энергосистеме под контролем этой энергосистемы, могли бы обеспечить аккумулирование и снабжение электроэнергией,  которая необходима  для поддержания надежности энергосистемы.

На Рисунке 1 показан один из возможных вариантов перехода с сегодняшнего централизованного энергетического сектора, где используется ископаемое топливо и преобладает атомная энергия, к распределенной энергосистеме, полностью основанной на возобновляемой энергии. Отметим крайнюю необходимость эффективности использования энергии. Спрос на электроэнергию может оставаться на неизменном уровне даже когда электромобили запустят в производство, поскольку дома и офисные здания способны еще эффективнее использовать энергию. Неэффективное потребление энергии в домах и коммерческих зданиях, а также в оборудовании сегодня очень велико. Лампы накаливания, самый обычный тип освещения, преобразуют лишь около 3 процентов электроэнергии в освещение. Компактные флуоресцентные лампы в три-четыре раза эффективнее ламп накаливания. Светоизлучающие диоды намного эффективнее. Новые технологии освещения, например, светопровод, где сочетается солнечный свет и источники электрического освещения для обеспечения постоянного внутреннего освещения, находятся в процессе коммерциализации. Похожие возможности существуют также и в других областях использования электроэнергии.

При разумном подходе к эффективности и соответствующих правилах координации развития возобновляемых источников энергии, а также инвестициях в технологии энергонакопления, энергосистема, полностью основанная на возобновляемой энергии, не просто технически выполнима – это самый желанный проект с точки зрения экологии и здравоохранения. Общие затраты на энергетические услуги должны оставаться примерно в том же соотношении с ВВП, что и сегодня. Однако предполагается рост инвестиций для повышения  эффективности  нового генерирования энергии по сравнению с сегодняшним днем.

На Рисунке 2 схематично представлена энергосистема, полностью состоящая из возобновляемых источников энергии. Для удобства чтения она вторично опубликована в этом выпуске (схема также представлена в выпуске 15, номер 1 журнала SDA).

Распределенная энергосистема, которая показана на Рисунке 2, может быть как минимум столь же надежной и намного безопаснее, чем сегодняшняя централизованная энергосистема. Например, если бы произошло что-то подобное тому, что вызвало самые серьезные перебои с энергией (в 1965 году в Нью-Йорке, в 2003 году в штатах Атлантического побережья США), с единой системой ничего бы не случилось – местные источники электроэнергии и устройства энергонакопления продолжали бы удовлетворять основные потребности в энергии. Террористическая атака на один или несколько основных пунктов инфраструктуры ЛЭП также не приведет к нарушению всей системы. Благодаря серьезному сокращению негативных последствий  подобных атак,  вероятность нападения на энергосистему крайне невелика.

Вывод

Сегодня много тех, кто заявляет, что атомную энергию «нужно оставить про запас», поскольку надежной энергосистеме без нее не обойтись. Но такое мнение не подкреплено тщательным анализом, который бы доказывал реальную необходимость атомных электростанций. Данный анализ показывает, что ни уголь, ни атомная энергия не нужны для надежной и безопасной электроэнергетической системы, тем не менее, потребуется тридцать-сорок лет на то, чтобы полностью осуществить переход к энергосистеме, основанной на возобновляемой энергии. Такой переход требует осторожного и особого внимания к вопросу эффективности, многообразию возобновляемых источников энергоснабжения, резервным мощностям и накоплению энергии, при этом последний фактор очень важен при высоких степенях  проникновения в энергосистему. Суть дела ясна: уголь и атомную энергию можно и нужно вытеснить одновременно из электроэнергетического сектора.