Нужны ли накопители энергии для развития ВИЭ?

Обсуждение вопросов интеграции вариабельных возобновляемых источников энергии (variable renewable energy — VRE) часто сопровождается заблуждениями, мифами, а в некоторых случаях даже дезинформацией, пишут авторы из Международного энергетического агентства (МЭА) в работе «Getting Wind and Sun onto the Grid» (2017).

В нашей прессе и блогосфере такие мифы и дезинформация встречаются сплошь и рядом.

Вот, например, пишет один из мыслителей нефтегазового сектора: «Рост рыночной доли возобновляемых источников энергии связан не столько с совершенствованием ветряных турбин и солнечных панелей, сколько с развитием технологий хранения энергии, а в этой области прорывов пока не видно».

В упомянутом докладе МЭА в разделе «Мифы и реальность» по этому поводу сказано следующее:

«Часто утверждается, что «только дополнительное хранилище электроэнергии может сглаживать колебания ветровой и солнечной энергии». Это выглядит очень интуитивно понятным: глядя на колебания, исходящие от установок ВИЭ, представляется очевидной необходимость буферизации этой выработки, чтобы обеспечить её плавный профиль.

Тем не менее, как и в других мифах, важные факторы опущены. Главным моментом этого утверждения является то, что в какой-то момент интеграция вариабельных ВИЭ требует увеличения гибкости (маневренности) энергосистемы… Однако хранение не является единственной формой гибкости. Диспетчерируемые генераторы, включая тепловые электростанции и ГАЭС, постоянно управляют колебаниями на стороне спроса. Существует множество других источников маневренности, в том числе управление спросом или торговля с другими энергосистемами. Таким образом, хранение электроэнергии является лишь одним из пакетов решений — и до сих пор в большинстве стран, в которых вариабельные ВИЭ превышают 20%, оно не было представлено широко».

Послушаем практика, Бориса Шухта (Boris Schucht), главу немецкой электросетевой компании 50Hertz (Германия поделена между четырьмя операторами магистральных электрических сетей, 50Hertz – один из них). Особенностью данной сети является высокая доля вариабельных ВИЭ, которая в 2017 году составила 53,4% (компания обслуживает север ФРГ, где размещена основная масса ветровых электростанций). И что говорит г-н Шухт, инженер по образованию и управляющий сетевым хозяйством? В нынешней «системе достаточно гибкости для обеспечения сетевой безопасности» при уровнях ВИЭ в 70-80%. «В энергетической сфере есть ряд мифов. Один из них — представление, что нам тотчас необходима большая гибкость в системе, если речь заходит об интеграции возобновляемых источников энергии. То есть или накопители, или отключаемые нагрузки, или резервные (backup) электростанции. Это миф. У нас гораздо больше гибкости в системе, чем нам нужно».

Да, разумеется, Шухт «играет на стороне сетей», ему интересно расширение хозяйства, перетоки, интерконнекторы и т.п. Тем не менее, он отвечает за системную надежность четверти Германии, и если бы ему не хватало новых «батареек» для управления непостоянными потоками ветровой энергии, он, конечно, поделился бы своими беспокойствами.

На сегодняшний день доля ВИЭ в энергосистеме ФРГ составляет примерно 40%, в том числе вариабельной части (ветер + солнце) — около 29%. Планируется, что к 2030 году доля ВИЭ будет доведена до 65%, главным образом, за счёт развития солнечной и ветровой энергетики. Разумеется, никто не ставит эти планы в зависимость от «развития технологий хранения энергии».

В сентябре 2018 г в научном журнале European Economic Review была опубликована статья немецких авторов под названием «К вопросу экономики хранилища электроэнергии для вариабельных возобновляемых источников энергии» (On the economics of electrical storage for variable renewable energy sources).

На следующем графике из этой статьи обобщены многочисленные исследования, в которых рассчитывались необходимые емкости накопителей энергии в процентах от годовых объемов потребления энергии.

Как мы видим, даже для уровней переменной генерации в 90% требуемые объемы хранилищ электроэнергии крайне невелики. Роль накопителей гипертрофирована только в одной работе, в том единственном случае, в котором автор (известный немецкий экономист Hans Werner Sinn) рассматривает системы хранения энергии в качестве единственного инструмента гибкости (маневренности).

На следующем графике из той же работы показано, что даже минимальные объемы принудительной остановки выработки (curtailment) солнечных и ветровых электростанций (горизонтальная шкала) снижают потребность в накопителях до крайне незначительных величин.

Такое принудительное ограничение выработки необязательно является экономически неэффективным решением, утверждают авторы.

На следующем графике показан экономически оптимальный объем накопителей энергии, требуемый для интеграции соответствующих объемов вариабельных ВИЭ в ФРГ. Например, при среднегодовой 50% доле солнечной и ветровой энергетики в потреблении электроэнергии в стране и возможности снижения выработки вариабельных ВИЭ менее чем на 5%, потребуется всего 35 ГВт*ч накопителей энергии. Это меньше, чем установлено сегодня (включая ГАЭС).

Основной вывод статьи: «требования хранения электроэнергии не ограничивают дальнейшее распространение вариабельных возобновляемых источников энергии».

Данный вывод соответствует заключению, к которому пришли авторы недавнего австралийского исследования под названием GenCost 2018. «Вероятно, мы переоцениваем объем необходимого хранилища, особенно в первые десятилетия… Данные GenCost 2018 в сочетании с некоторыми из наших предыдущих исследований указывают на то, что нам могут потребоваться дополнительные гибкие технологии, такие как хранение энергии, управление спросом и пиковые газовые установки, если доля переменных возобновляемых источников энергии превышает 50 процентов». На графике показано, что до порога в 50% (доля солнечной и ветровой энергии в системе) потребность в накопителях энергии ничтожна во всех указанных штатах Австралии.

Также в текущем году в США было опубликовано исследование возможностей «гибкого управления» работой солнечных электростанций (Investigating the Economic Value of Flexible Solar Power Plant Operation). В докладе отмечается, что чем более гибким является диспетчерское управление солнечной генерацией, тем больше снижается дополнительная ценность, привносимая в систему накопителями энергии, поскольку управляемая диспетчерами солнечная энергетика может оказывать системе те же самые услуги, что и накопители. Потребность в накопителях также снижается с повышением качества прогнозирования как выработки солнечных электростанций, так и спроса на электроэнергию.

Ещё в 2014 году ряд институтов подготовил исследование о накопителях энергии по заказу немецкого Министерства экономики и энергетики (BMWi). Выводы работы: «до отметки в 60% [доля ВИЭ в системе], строительство новых накопителей не является условием добавления новых фотоэлектрических и ветряных электростанций… Даже при высокой степени распространения ВИЭ (90% в Германии и 80% в Европе) балансировка системы может в значительной степени обеспечиваться без дополнительных накопителей».

Всё вышесказанное не означает, что накопители не нужны, а лишь то, что уровень развития технологий хранения энергии не является фактором, который тормозит распространение вариабельных ВИЭ. Не существует эмпирических подтверждений того, что развитие вариабельных ВИЭ (солнечной и ветровой энергетики) было где-либо замедлено в связи с недостатком накопителей энергии. Также нет оснований утверждать, что развитие ВИЭ будет замедляться, тормозиться по данным причинам.

Если потребность в накопителях не столь остра, зачем же их строят? Почему о них так много говорят? Ответ очевиден. С технико-технологической точки зрения быстродействующая и ёмкая система хранения энергии — отличная и полезная штука. Поэтому скорость распространения накопителей энергии будет зависеть от экономики соответствующих решений. На стороне потребителей (behind the meter) на некоторых рынках, особенно для небольших объектов ВИЭ, уже сформировались тиражируемые и прозрачные бизнес-модели: повышать долю собственного потребления своей солнечной электроэнергии и, соответственно, устанавливать систему хранения, стало экономически целесообразно (см., например, 100 тысяч установленных домашних накопителей энергии в ФРГ). Поскольку перспективы накопителей выглядят блестящими, многие игроки стремятся заблаговременно наработать компетенции и забронировать место на рынке. Идёт совершенно обычный для человечества, рутинный, можно сказать, процесс постепенного формирования новых потребностей и стандартов, в нашем случае — в рамках изменения технологического уклада в энергетике.

Дешевые и эффективные накопители энергии являются «окончательным приговором». Они превращают стохастическую выработку солнечных и ветровых электростанций в полностью управляемую, снимают вопросы регулирования частоты и качества электроэнергии, убирают с рынка маневренную газовую генерацию, полностью переформатируют электроэнергетику. Пока это окончательное решение только созревает, однако на ряде рынков мы уже сегодня видим, что солнечные и ветровые электростанции, оснащённые накопителями энергии, становятся дешевле новых угольных и газовых объектов энергетики.

В заключение повторим очевидный вывод для России, где объёмы вариабельных ВИЭ являются мизерными. Для сетевых объектов генерации использование накопителей энергии сегодня нецелесообразно как с точки зрения экономики проектов, так и в макроэкономическом плане. Не повышают они и системную надежность (если диспетчерские службы владеют элементарными инструментами управления солнечной и ветровой генерацией).