Гибкость энергосистемы как основной критерий при развитии сектора ВИЭ

До недавнего времени по целому ряду причин, прежде всего из-за огромных запасов традиционного энергетического сырья, вопросам развития использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в энергетической политике развивающихся стран уделялось сравнительно мало внимания.

В последние годы ситуация стала заметно меняться. В связи с ограниченностью мировых топливных ресурсов, интенсивными темпами развития отраслей экономики и ростом населения стран, а также с нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты появилась необходимость постепенного перехода на альтернативные источники энергии.

Для покрытия возрастающего потребления в энергии (электроэнергии), необходимо строительство новых генерирующих источников при соблюдении экологических требований. В этой ситуации решением является внедрение возобновляемых источников энергии. И связи с этим солнечная и ветровая энергетика играют огромную роль в секторе ВИЭ.

Солнечное и ветровая энергетика становится важной частью при выработке электроэнергии во многих регионах в связи с быстрым снижением затрат и политикой в пользу возобновляемых источников энергии без выбросов. Установленная мощность солнечной и ветровой энергии выросла в геометрической прогрессии за последние два десятилетия. Но при реализации таких широкомасштабных внедрении ВИЭ появляются так называемые «барьеры».

В частности, эти «барьеры» включают:

• •    Высокие затраты: например, солнечные фотоэлектрические (PV) и концентрирующие солнечные электростанции (CSP) вырабатывают электроэнергию по ценам, значительно превышающим затраты на электроэнергию, производимую на ветряных или ископаемых электростанциях.

• •    Передача: Линии электропередачи передают электроэнергию от электростанций в города, промышленность и другие места, где это необходимо. Как объясняется ниже, ветряные и солнечные электростанции в коммунальном масштабе часто расположены более удаленно, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе. Следовательно, они требуют строительства новых дорогостоящих и спорных линий электропередачи.

• •    Изменчивость / периодичность: ветер и солнце являются переменными ресурсами, что означает, что их доступность в качестве источника энергии колеблется из-за погодных условий.

При этом основной задачей диспетчеров является задача поддержания баланса энергосистемы, поскольку выработка из этих переменных форм возобновляемой энергии (vRES) сильно колеблется и неопределенна в их производстве. Поэтому возникают новые проблемы для работы энергосистемы. Баланс системы должен поддерживаться в любой момент, хотя выход электроэнергии из этих новых источников изменяется очень быстро и может быть предсказан только с неопределенностью [1].

Особенно генерация ветра и солнца колеблется в течение дней и недель и не может быть точно предсказана. Рис. 1. иллюстрирует большие изменения, с которыми столкнется будущая полезная нагрузка. Это создаст дополнительные проблемы для энергосистемы:

• •    Управляемая часть энергосистемы должна быть в состоянии сбалансировать предстоящие колебания и результирующие изменения в различных временных масштабах.

• •    Изменение нагрузки и генерация переменных покажут отклонения от их прогнозов. Это приводит к неопределенности в оперативном планировании, которая должна быть обработана [2].

Что касается временной проблемы, планирование энергосистем должно столкнуться с ситуациями экстремальных крутых скачков. В качестве примера показано, что одним из самых критических моментов дня является ранний вечер: солнце и, следовательно, выработка электроэнергии из PV снижается, а спрос в то же время растет. Калифорнийские системные операторы назвали этот эффект «кривой уткой».

Рисунок 1. Иллюстрация изменения линейной нагрузки в энергосистеме с высокой долей энергии ветра и солнца

Еще одна серьезная проблема в интеграции возобновляемых источников энергии - это новое пространственное расхождение генерации и нагрузки. Система атомных и ископаемых электростанций приводит к пространственной конвергенции генерации и спроса, поскольку электростанции могут быть построены вблизи центров нагрузки. Поскольку ветровая и солнечная генерация сильно зависят от местоположения, внедрение vRES требует транспортировки электроэнергии на большие расстояния.

Рисунок 2. Кривые «утки» (темно-серый, NL=чистая нагрузка) для Германии (лев.) и Италии (прав.) для различных установленных мощностей PV (оранж., PV в ГВт)

Рис. 2. иллюстрирует ситуацию для Германии и Италии и демонстрирует проблему, с которой сталкиваются операторы системы. На рисунке показаны нагрузки, чистая нагрузка (NL) и генерация PV для воскресенья и следующего понедельника. В то время как в Германии спрос только возрастает в выходные дни, в Италии эффект сильно выражен для обоих дней: чистая нагрузка возрастает с примерно 10 ГВт до 45 ГВт в течение нескольких часов в сценарии с максимальными установками фотоэлектрических систем - 45 ГВт. Это резкое увеличение является примером линейного изменения нагрузки, которое должно быть обеспечено за счет увеличения выходной мощности онлайн-генераторов (горячий резерв) и запуска дополнительных генераторов (третичный резерв) [3].

Такие колебания должны быть сбалансированы системой остаточной мощности оставшихся управляемых генераторов и хранилищ. Способность выполнять это действие балансировки путем адаптации к изменяющимся и неожиданным ситуациям можно назвать гибкостью энергосистемы.

Поэтому хранение энергии имеет важное значение для поддержания гибкости энергосистемы. Пики и впадины спроса часто можно предвидеть и удовлетворить, увеличив или уменьшив выработку за довольно короткий срок. В низкоуглеродной системе прерывистая возобновляемая энергия (iRES) усложняет варьирование выработки, а рост спроса не обязательно соответствует увеличению выработки ВИЭ. Для обеспечения гибкости энергосистемы и ее стабильности, а также для того, чтобы справляться с растущим использованием прерывистого ветра и солнечного электричества необходимы более высокие уровни накопления энергии. Умные города, являющиеся ключевой целью энергетической политики, которые требуют умных сетей и интеллектуальных хранилищ.

Хранение энергии является устоявшейся технологией. Насосные гидроаккумулирующие системы (PHS - Pumped Hydro) были привлекательными и необходимыми, когда европейские сети состояли в основном из большого числа региональных сетей с очень слабыми взаимосвязями.

Сегодня современные электростанции на основе ископаемого топлива (и особенно комбинированные циклы на природном газе - ПГУ) становятся все более и более гибкими. Скорость их роста в ответ на быстрые изменения спроса растет. Они могут обеспечить надежное и гибкое резервное питание. Следовательно, в краткосрочной перспективе хранение электроэнергии должно заполнить разрыв между временем нарастания ветра и солнечной энергии и временем нарастания этих резервных установок. Задача состоит в том, чтобы увеличить существующие емкости хранения и повысить эффективность.

Поэтому хранение газа тесно связано с хранением электроэнергии.

Так как, газ является важным топливом для производства электроэнергии, и электростанции, работающие на природном газе, имеют очень высокую эффективность (более 60% для наилучшей имеющейся технологии), очень высокую гибкость и низкие выбросы CO2 (замена старой угольной электростанции на природный газ). Электростанция снижает выбросы CO2 на кВтч до 80%. В будущем закачка биогаза и водорода в сеть природного газа и более долгосрочная коммерциализация улавливания и хранения углерода будут способствовать дальнейшему обезуглероживанию выработки электроэнергии на газе.

Действительно, расширение электростанций, работающих на природном газе, повышение эффективности и снижение затрат на гибкие турбины природного газа с комбинированным циклом и простым циклом в сочетании с сильным и быстро растущим соединением энергосистемы на уровне ЕС и падением газа цены, снизили экономическую конкурентоспособность перекачиваемых гидроаккумуляторов. Таким образом, коммунальные предприятия имеют тенденцию полагаться на газотурбинные системы с комбинированным циклом [4].

Кроме того, ожидается, что основные функции накопления энергии, такие как сдвиг во времени, быстрая подача энергии и быстрое извлечение энергии, внесут большой вклад в безопасность источников питания, качество электроэнергии и минимизацию прямых и экологических издержек.

В будущем, по мере того как ветряная и фотоэлектрическая системы увеличивают свою долю поставок, системы электроснабжения и системы хранения должны будут быть очень быстрыми и покрывать промежуточный период между падением ветра и приходом в оперативный режим любой резервной мощности [5].

Поэтому динамическое поведение хранилища даже важнее его долгосрочной емкости. Следовательно хранение становится более важным для энергетической политики. Так как, необходимость содействовать увеличению накопления энергии связана с увеличением периодического ветра и солнечной энергии и с увеличением пикового спроса.