Наш старый сайт

Их склеп из золота хранит ...*

Их склеп из золота хранит ...*

№31 (1224) от 03.08.202107.08.2021

Как история внедрения ВИЭ может помочь ее эффективному использованию в будущем

*За заголовок спасибо английскому писателю
Уильяму Шекспиру (1564-1616 гг.).

Возобновляемая энергия едва ли не самая модная тема современности. Именно на нее возлагают надежды относительно консервации климата и эффективного использования ресурсов планеты. Тем не менее, несмотря на всю новизну, в использовании ВИЭ накоплен немалый опыт, причем не только в Украине, но и далеко за ее пределами.

Георгий ГАВРИЛЕНКО, Олег РОГОЖНИКОВ

Об истории использования ВИЭ

Прообразом современных возобновляемых источников энергии в 1950-х гг. — до электрификации сельской местности — были ветровые водонасосные установки на пастбищах в степях Одесской области, Молдавии, которые поднимали воду из скважин для скота. Эти простые устройства представляли собой вышку с многолопастным ветровым колесом. Это был прообраз ветровой электростанции (ВЭС), превращающий энергию ветра в механическую энергию.

В 1960-х гг., по мере электрификации сельской местности, вышки с ветровыми колесами исчезли, и объяснение было простым: ветер не всегда есть, поэтому с электричеством надежнее, процесс более управляем, а результат предсказуем.

Образец ВИЭ в виде солнечной электростанции (СЭС) башенного типа был сооружен в поселке Щелкино в Крыму в середине 1980-х гг. рядом со строительной площадкой Крымской АЭС.

Это была экспериментальная башенная солнечная электростанция, которая представляла собой два поля зеркал по 800 штук каждое. Зеркала направляли отраженные лучи солнца на своеобразный коллектор, установленный на башне, в котором генерировался пар. Пар подавался в турбину, которая приводила в действие электрический генератор. Электрическая мощность солнечной станции составляла 5 МВт.

Во время эксплуатации столкнулись с проблемами:

  1. неудовлетворительная ориентация зеркал относительно солнца;
  2. запыленность зеркал.

Проблема автоматического отслеживания положения зеркал была решена установкой более мощной вычислительной машины и модернизацией оптических датчиков положения.

Что касается запыленности, то проблема оказалась сложнее. Эта местность достаточно сильных ветров и рядом находится соленое озеро. На зеркалах оседала пыль, соль, и эффективность зеркал резко снижалась. Чистка зеркал оказалась сложной технической задачей, которая не была решена до закрытия станции. Очистка зеркал производилась вручную, для чего использовалась вода (кто мыл собственную машину, знает, чтобы очистить поверхность, недостаточно полить водой, надо обязательно протереть тряпкой или щеткой, что усложняет процесс).

Работы на Крымской СЭС проводились непосредственно после чернобыльских событий, и население, ежедневно созерцая солнечную электростанцию, массово выступало против строительства АЭС, надеясь на возможность получения электроэнергии от солнца. На теме закрытия строительства Крымской АЭС пиарились незначительные и большие политики. Местная пресса разоблачала преступность замыслов сооружения АЭС, доказывала преимущества солнечных электростанций, но при этом никто не обмолвился словом о том, что плановая себестоимость электроэнергии на строящейся АЭС определялась чуть больше 1 коп/кВтч, а на экспериментальной солнечной станции по факту была 35 руб/кВтч (по ценам конца 1980-х). Население оказалось в сладком неведении.

Судьба крымской солнечной и атомной электростанций известна — металлоконструкции порезаны и сданы как металлолом. Крымчане впоследствии горько пожалели, что АЭС не была построена, наличие стабильного источника генерации мощностью 2000 МВт решило бы не только проблему энергоснабжения, но и частично опреснения воды. Как гласит изречение мудрого человека: история ничему не учит, а только наказывает за незнание уроков.

Подобные обманутые ожидания не редко встречаются и в других странах.

Индийский маршрут

В использовании энергии ветра преуспела Индия. Сооружен второй в мире по величине ветропарк мощностью 1.5 ГВт в штате Тамил Наду на берегу Индийского океана вблизи города Каньякумари в том месте, где строится АЭС "Куданкулам" с реакторами ВВЭР-1000 в составе шести блоков. В этой местности на берегу океана практически всегда наличествует бриз.

В этом районе Индии отсутствуют открытые и подземные источники пресной воды. Питьевая вода привозная, местная пресная вода добывается методом опреснения морской воды. Опреснительные установки израильские, получают электроэнергию от ВЭС или от дизель-генераторов.

Это зона сухих тропиков, местные поля практически не возделываются из-за постоянной засухи. Местное население питает большие надежды, что с построением АЭС появится достаточно опресненной воды для орошения, и в эти засушливые места Бог вдохнет жизнь. Украинцам также следовало бы подумать над тем, чем орошать земли южных областей в связи со всеобщим изменением климата и уменьшением осадков (см. "ЭнергоБизнес" №12 от 23.03.21 г.).

Часто можно было наблюдать, как в иные дни лопасти турбин еле-еле вращаются, в безветреные дни лопасти неподвижны, чем-то напоминая птиц в жаркую погоду, распустивших крылья, с открытыми клювами — жажда.

Директор строящейся в Индии АЭС на вопрос об эффективности ВЭС сказал, что коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) ВЭС составляет около 12% (его мнение о полезности ВЭС можно было прочесть по выразительной гримасе лица).

Индусам приходится по несколько раз в день переживать обесточивание энергосистемы, кратковременное отключение холодильников, кондиционеров, освещения до восстановления питания от дизель-генераторов. Население индийского штата Тамил Наду, проживающего вблизи ветропарка, который является вторым по величине в мире, надеется на строящуюся АЭС "Куданкулам".

Немецкий лабиринт

В Германии в 2020 г. более 35% потребления электроэнергии было обеспечено за счет ВЭС и СЭС. В большинстве случаев фактическое количество произведенной электроэнергии с помощью установок ВИЭ составляет лишь часть возможного от установленной мощности, то есть установки работают ниже своих возможностей из-за отсутствия ветра или наличия облачности. Хуже того, в "плохие дни" генерация может упасть почти до нуля. Например, в 2016 г. было 52 ночи, когда ветра практически не было, а солнечные панели по понятным причинам энергии не давали.

В общем, даже учитывая "лучшие дни", средняя выработка электроэнергии ветровыми и солнечными энергетическими установками в Германии составляет всего около 17% от установленной мощности, несмотря на то, что многие ветрогенераторы расположены на побережье или в акваториях Северного и Балтийского морей, известных сильными и постоянными ветрами.

Очевидный урок: если необходимо обеспечить стабильное и безопасное электроснабжение, понадобятся резервные источники электроэнергии. Причем такие, которые можно активировать в более-менее небольшие сроки, чтобы быстро покрыть дефицит генерации из-за прекращения работы ветровых или солнечных электростанций.

В публикуемых источниках не говорится о том, какое влияние на окружающую среду будут оказывать резервные источники генерации, и это влияние, как вынужденная генерация, следует отнести на влияние ВИЭ на экологию.

Согласно отчету Energiewende – Index компании McKinsey & Company (г. Чикаго, с 1926 г., 30 тыс сотрудников, международная консалтинговая компания, специализирующаяся на решении задач, связанных со стратегическим управлением), переход к возобновляемым источникам энергии представляет собой серьезную угрозу для экономики Германии и энергоснабжения. Кстати, кто-либо просчитывал урон в Украине от использования ВИЭ в случае коллапса?

В течение трех дней в июне 2019 г. электросеть Германии была близка к отключению электроэнергии. Только краткосрочный импорт электроэнергии из соседних стран помог стабилизировать энергосеть, — отмечается в отчете. В "неудачные" дни Германии приходится покупать энергию у Франции и Швеции.

Показательно, что покупка электроэнергии проводилась во Франции, где большая часть электроэнергии вырабатывается на АЭС, и в Швеции, где большая часть электроэнергии производится на ГЭС, а треть на АЭС.

Покупка электроэнергии не проводилась в соседней Дании, потому что Дания, как соседняя страна, в эти дни, как и Германия, попала в сложное положение вследствие погодных условий.

А в "хорошие" дни Германия наводняет Европу избыточной энергией от своих ветровых и солнечных установок, и часто по демпинговым ценам. Таким образом, Германия превратила нестабильность своей ВИЭ-энергетики в общеевропейскую проблему, — сообщает источник McKinsey & Company.

Прелести Техаса

Еще один пример. Согласно СМИ, 16 февраля 2021 г. в штате Техас (США) вследствие климатических условий полностью отсутствовала солнечная генерация, а из 30 ГВт установленных ветрогенераторов в работе осталось только 0.8 ГВт, то есть менее 3% (см. "ЭнергоБизнес" №12 от 23.03.21 г.).

Проблема возникла в связи с тем, что штат Техас имеет свою почти автономную систему энергоснабжения. и подача энергии из других штатов ограничена. Штат Техас является ветреным и солнечным, что способствовало массовому строительству ВЭС и СЭС.

Кроме того, штат Техас может позволить себе нарушение баланса между ВИЭ и традиционными источниками энергии, так как погода, которая была 16 февраля 2021 г., случается один раз в сто лет.

Ситуации, вызванные с ВИЭ в Германии и в штате Техас, обусловлены не политическими, экономическими или социальными причинами — это исключительно влияние природных факторов, которые человеку не подвластны.

Северные ветры

Пионером в использовании энергии ветра является Дания. Первая промышленная ветряная турбина была установлена в Дании в 1976 г. К 1979 г. правительство нашло возможность ввести государственную субсидию, покрывающую 30% затрат на установку ветряков. Была создана национальная лаборатория по тестированию ветротурбин. В 1986 г. субсидии сократились вдвое, затем их отменили вовсе, полагая, что этап опытно-промышленного освоения нового источника генерации успешно завершен.

Таким образом, в 1989 г. общими усилиями родился рынок ветрогенераторов. К январю 2007 г. в Дании уже было построено 5267 ветряных турбин суммарной мощностью 3136 МВт.

В Украине сооружение и ввод в эксплуатацию ВИЭ начался с 2010 г., то есть в то время, когда ВИЭ перестали быть новшеством, оборудование стало серийным в массовом производстве и поэтому непонятно, в связи с чем инвесторы получили преференции в Украине. В 2019 г. доля производства электроэнергии на ВЭС в Дании составила 47% от общей выработки, а доля выработки электроэнергии на СЭС составила 2.82%.

Особенностью условий для развития ветроэнергетики в Дании является постоянство ветров на побережье. На восточном побережье Дании минимальная средняя скорость ветра - 8-9м/с, на западном побережье — до 10 м/с на высоте 10 метров. В Дании отсутствуют серьезные проблемы с изменчивостью ветра, и она планирует довести выработку электроэнергии на ВЭС до 84% от общей выработки до 2035 г.

В любом случае ВЭС, как и СЭС, порождают нестабильность в работе энергосистемы: при хорошем природном потенциале (сила ветра, инсоляция) - перепроизводство электроэнергии, при ухудшении — недостаток ее производства.

Например, к вечеру 9 июля 2015 г. в Дании ветряные турбины вырабатывали 116% энергетических потребностей страны, а в 3 часа ночи 10 июля, когда потребление электроэнергии снизилось, эта цифра подскочила до 140%.

Как преодолевается дисбаланс в энергосистеме Дании? В свое время в стране была сделана ставка на большое количество когенерационных станций малой мощности, работающих на природном газе, которые потенциально могут обеспечивать 25% необходимой стране электроэнергии. Преимущества подобных небольших станций в том, что они могут выйти на полную рабочую мощность в течение 5 минут и "выключить" их можно также в любое время.

Избыток производства ветровой электроэнергии аккумулируется в виде тепловой энергии, в том числе в "тепловых ямах", которые представляют собой подземное тепло, и в гидроизолированных емкостях, заполненных гравием и водой. При избытке электроэнергии содержимое аккумуляторов нагревается. Аккумулированное тепло используется по необходимости.

Кроме того, в Дании реализована возможность импорта электроэнергии из Норвегии и Швеции, где большая часть электроэнергии производится на ГЭС.

Общие проблемы и способы решения

Наличие ВИЭ в составе энергосистемы, как указано выше и как показывает практика их использования, является источником дестабилизации. Фактор дестабилизации определяется природными условиями: генерация осуществляется не тогда, когда это необходимо, а когда позволяют условия — наличие ветра, наличие инсоляции.

Вопрос стабилизации энергосистемы определяется в данном случае наличием резервных источников и/или импортом/экспортом электроэнергии. Германия избыток энергии экспортирует, при недостатке — импортирует. Дания в составе энергосистемы держит 25% мощностей, использующих природный газ. При этом эти мощности не являются крупными производителями, и при дефиците импортирует электроэнергию из Норвегии.

Продолжение в следующем номере.