Как работают энергосистемы с большой долей ВИЭ? Лучшие практики

Институт экономики энергетики и финансового анализа (Institute for Energy Economics and Financial Analysis — IEEFA) опубликовал доклад, в котором приведены успешные примеры интеграции больших объемов стохастической генерации на основе ветра и солнца в сетевое хозяйство.

В работе под названием «Power-Industry Transition, Here and Now» рассматриваются примеры из опыта ряда государств, а также штатов США, Австралии и Индии, где доля электроэнергии, производимой солнечной и ветровой энергетики варьируется от 14% до 53%. Это существенно превышает среднемировой показатель (5,5% по итогам 2016 года). Речь идет о Дании, Южной Австралии, Уругвае, Германии, Ирландии, Испании, Техасе, Калифорнии и индийском штате Тамил Наду.

Фокусируясь на вопросах стабильности сетевого хозяйства и вызовах для сетевых операторов, связанных с переменчивостью ветровой и солнечной генерации, IEEFA выделяет методы, выработанные лидерами энергетической трансформации, которые могут использоваться в качестве практического руководства для национальных и региональных рынков по интеграции больших объемов возобновляемых источников энергии.

Основные лучшие практики, выделяемые в докладе, состоят в следующем.

1. Своевременные инвестиции в развитие сетевого хозяйства.

Осуществление хорошо спланированных инвестиций в высоковольтные системы передачи энергии является одним из наиболее важных шагов для обеспечения готовности к интеграции больших объёмов стохастических возобновляемых источников энергии.

В докладе рассматривает опыт штата Техас и местного системного оператора ERCOT. Как отмечают авторы, Техас — это образцовый пример качественного планирования инвестиций в высоковольтные линии электропередач, связывающие электростанции, работающие на основе ВИЭ с основными центрами потребления электричества, такими как крупнейшие города. После вступления в силу соответствующего законодательства в 2005 году, утвердившего программу развития ВИЭ, были созданы конкурентные зоны возобновляемой энергии, связанные сетями с восточными, самыми густонаселёнными территориями штата. В результате, доля потерь ветровой энергии по причине искусственного ограничения выработки (curtailment) снизилась с 17% в 2009 году до «уровня погрешности» в 0,5% в 2014 (красная линия на графике). В 2017 году доля солнца и ветра в выработке достигла 18% (без учёта кровельной солнечной генерации).

2. Строительство интерконнекторов и развитие межгосударственной кооперации.

Дания обладает самой высокой долей ветроэнергетики в производстве электроэнергии в мире. При этом объем вынужденных потерь ветровой энергии находится практически на нулевой отметке, а уровень системной надежности – один из высочайших в мире. Одной из причин является тесное взаимодействие с соседними странами и наличие соответствующих возможностей для перетоков энергии. Пропускная способность интреконнекторов сегодня соответствует 51% установленной мощности датской энергосистемы и планируется, что к 2020 году она вырастет до 59%. Благодаря этому, Дания может использовать, например, возможности гидроэнергетики Скандинавии и тепловой и возобновляемой генерации Германии.

В данном разделе также приводятся примеры других европейских стран, объединяющих свои рынки и обеспечивающих возможности для более эффективных перетоков электроэнергии.

На рисунке показано, что страны, обладающие самой высокой долей солнечной и ветровой энергии в выработке электроэнергетике, также отличает высокий уровень системной надежности (горизонтальная шкала — показатель продолжительности нарушений энергоснабжения).

3. Обеспечение маневренности генерации

В Уругвае выработка ветровых электростанций выросла за пять последних лет в 30 раз! Доля солнечной и ветровой энергии увеличилась с 1% в 2013 году до 32% в 2017-м.

Большая гидроэнергетика страны в данном случае обеспечивает маневренность для интеграции в энергосистему больших объемов ветровой энергии. Ветроэнергетика имеет приоритетный доступ в сеть, поскольку обладает самыми низкими предельными издержками, а её генерация «балансируется» ГЭС в условиях слабого ветра, а также с помощью интерконнекторов с Бразилией и Аргентиной при переизбытке ветровой генерации.

4. Реформирование рынков для развития «гибкого резервирования»

В эпоху переменчивых ВИЭ повышается значение оперативного регулирования спроса и предложения, направленного на оптимальную интеграцию плохо предсказуемых объемов генерации на основе солнца и ветра. На первый план выходят рынки на сутки вперёд, внутридневные, балансирующие.

Один из путей реформирования – это сокращение временных интервалов между формированием прогнозов спроса (потребления) на балансирующем рынке (например, до пяти минут вместо часа).

Второе направление — внедрение «неэнергетических платежей» для резервных мощностей. В то же время здесь отмечается, что данный инструмент следует применять очень селективно, и такие внерыночные платежи далеко не всегда нужны и даже «могут подорвать маневренность энергосистемы» (что показано на примере Испании).

Наконец, направлением реформы рынка может являться внедрение «негативного ценообразования» (возможности установления отрицательных цен на электроэнергию).

5. Управление спросом (повышение гибкости спроса)

Возможность «сдвигать» потребление энергии во времени является важной предпосылкой успешной интеграции больших объемов солнечной и ветровой генерации в сетевое хозяйство. Особое искусство требуется для сдвига потребления на то время, когда в системе избыток электроэнергии, произведенной объектами указанных ВИЭ.

Пока механизмы управления спросом (Demand Response или Demand Side Response – DSR) внедряются «со скрипом», и за пределами США слабо распространены.

После масштабного нарушения энергоснабжения (блэкаута) в Южной Австралии был разработан энергетический план, поддерживающий увеличение маневренности системы, включая контракты на управление спросом объемом 1000 МВт.

В Европе Германия внедряет ежедневные тендеры, чтобы дать возможность производителям энергии на основе солнца в ветра подавать заявки, основываясь на прогнозируемой выработке.

Дания предпринимает первые шаги по внедрению Demand Response, но процесс пока находится на экспериментальной стадии. Например, реализовывался интересный пилотный проект READY, который продемонстрировал, как можно удаленно управлять большим количеством небольших (домашних) тепловых насосов. В рамках модели осуществлялось прямое управление тепловыми насосами (в отличие от косвенного управления, когда потребителю просто передаются ценовые сигналы и инструкции). Испытание проводилось на 100 активных тепловых насосах, и, в целом, оценка потребителей была высокой.

6. Совершенствование прогнозирования выработки солнечных и ветровых электростанций

Еще одним способом снижения потребностей в резервировании для солнечных и ветровых электростанций, а также сокращения вынужденных потерь (curtailment) и других затрат является улучшение качества прогнозирования погоды и, соответственно, выработки. Исследование, проведенное для западного побережья Дании, показало, что изменение скорости ветра на 1 м/с вызывает разницу в производстве ветровой электроэнергии в 500 МВт.

В Испании национальная система прогнозирования ветровой энергии Sipreolico обеспечивает ежечасные прогнозы производства ветра на 10 дней вперед. Согласно данным системного оператора REE, её применение снизило число ошибок в прогнозах на сутки вперед в два раза, с 18% до 9%, в период с 2008 по 2015 год.

7. Мероприятия на уровне распределительных сетей

В ряде стран большие мощности солнечной и ветровой генерации распределены среди множества частных потребителей (просьюмеров). В данном докладе речь идет о Германии, Южной Австралии и Дании. Одновременная «залповая» выработка этих объектов может приводить к изменению частоты в сетях. Например, это явление хорошо известно в Германии как «проблема 50,2 Герц». В связи с этим возникает потребность в регулировании процессов генерации/потребления на уровне местных распределительных сетей.

В Германии указанная проблема была решена с помощью изменения обязательных настроек бытовых солнечных инверторов.

Кроме того, разумеется, распространение накопителей также помогает решить эту задачу.

8. Использование возобновляемых источников энергии для балансировки сетей

Раньше переменчивые возобновляемые источники энергии были «освобождены» от обязанности оказывать системные и вспомогательные услуги энергетическому хозяйству.

Сегодня правила меняются, и оказание услуг для обеспечения системной надежности постепенно становится условием присоединения к сетям и участия в рынке электроэнергии.

Например, в Дании все объекты ветроэнергетики должны обеспечивать гарантированную мощность (firm power) и платить штрафы, если их выработка не соответствует прогнозу, что побуждает владельцев ветряных ферм инвестировать в модернизацию инструментов прогнозирования.

В Южной Австралии регулятор решил, что переменные возобновляемые источники энергии должны будут использоваться для контроля частоты в будущем. Это, в свою очередь, привело к увеличению спроса на накопители энергии, добавляемые к ветровым и солнечным электростанциям.

Таким образом, на все вопросы, связанные с работой энергетических систем с большой долей солнечной и ветровой энергетики, уже есть ответы.