Имплементация ВИЭ: автономные и сетевые решения

За последнее десятилетие развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ) происходило в темпах, что опережали любые другие источники энергии. ВИЭ достигли определенного уровня зрелости и большей финансовой привлекательности, чем традиционные технологии. Однако прогресс во внедрении ВИЭ до сих пор не одинаков в разрезе стран и секторов экономики; ощущается сопротивление как со регуляторных, финансовых и технологических причин, так и глядя на интеграцию новых источников к существующей энергетики. Проблема рационализации политики внедрения ВИЭ, особенно переменных возобновляемых источников (VRE), и соотношение между степенью автономизации и интегрированности новых мощностей к общей сети на национальном, региональном и локальном уровнях требует пристального внимания.

Ускорение перехода на ВИЭ

Мировое производство электроэнергии за последние 10 лет увеличивалось в среднем на 2,8% в год (ВР, 2018), и в 2015 г. достигло 24,1 тыс. ТВт · ч (IRENA, 2017), а в 2017 г. уже превысило 25 тыс. ТВт · ч. Мировая структура электрогенерации сейчас почти на четверть состоит из ВИЭ см. рис. 1. Возобновляемое производство энергии в 2009-2014 г. увеличивалось с ежегодным средним показателем прироста в 6,4%.

На сегодня крупнейшим потребителем электроэнергии остается промышленность (42%), сразу за ней на втором и третьем местах по энергопотреблению находятся сектора жилой и коммерческой недвижимости — соответственно 27% и 22%.

Слом в пользу новых генерирующих мощностей с ВИЭ, когда инвестиции в них опередили вложения в новые мощности по ископаемых источников энергии, произошел еще в 2012 г. (см. рис. 2).

Рис. 1. Глобальное производство электроэнергии по типам генерации. Источник: IRENA «Renewable Energy Policies in a Time of Transition», 2018.
Рис. 1. Глобальное производство электроэнергии по типам генерации. Источник: IRENA «Renewable Energy Policies in a Time of Transition», 2018.

С тех пор довольно остро встал вопрос совмещения возобновляемой и традиционной генерации в единой энергосистеме, особенно учитывая то, что наиболее инвестиционно привлекательные виды ВИЭ — PV и ветровые электростанции — относятся к меняющейся возобновляемой генерации (VRE).

Рис. 2. Динамика строительства новых мощностей энергетики из возобновляемых и невозобновляемых источников, 2001-2016. Источник: IRENA «Renewable Energy Policies in a Time of Transition», 2018.
Рис. 2. Динамика строительства новых мощностей энергетики из возобновляемых и невозобновляемых источников, 2001-2016. Источник: IRENA «Renewable Energy Policies in a Time of Transition», 2018.

Шесть особенностей VRE

Агентство IRENA выделяет 6 характеристик, обусловливающих влияние VRE на энергосистему:

  1. Малые краткосрочные расходы по внедрению. Смонтированы VRE-генераторы производят энергию с небольшими эксплуатационными и дополнительными затратами. Солнце или ветер благодаря своей экономической привлекательности вытесняют другие технологии с большими первоначальными капиталовложениями (в том числе и другие ВИЭ).
  2. Сменяемость и непостоянство. Выходная мощность системы с VRE колеблется в зависимости от мгновенной доступности ресурса. Энергосистема должна компенсировать эту изменяемую составляющую, которая требует дополнительных вложений в оперативное регулирование напряжения и частоты для поддержания качества тока в сети. Кроме цикличности, присущая непредсказуемость VRE-генерации сама вызывает несбалансированность спроса / предложения энергии в сети. Поэтому энергосистема имеет задействовать быстрые компенсирующие мощности, которые работают по другим технологиям, и иметь оборудование для накопления энергии и быстрой диспетчеризации.
  3. Непредсказуемость требует прогнозирования. Сейчас системы прогнозирования поколения с VRE-источников имеют ограниченные возможности краткосрочного планирования, особенно в пределах до одного часа; это влияет на определение потребности в резервных мощностях энергосистемы и на эффективность их использования.
  4. Ограниченность размещения. Ресурсы VRE равно хорошо локализуются и не могут быть транспортированы на значительное расстояние подобно ископаемому топливу или гранулированной биомассе. Размещение VRE-мощностей именно в местах наибольшего спроса на энергию может потребовать существенной перестройке местной инфраструктуры электросети а следовательно целевых капиталовложений, которые могут оказаться значительными или даже непомерными. Также понадобятся новые инфраструктурные мощности для быстрого оперативного управления и опрокидывания больших объемов электроэнергии как минимум на региональном уровне.
  5. Модульность. Ветряные и солнечные станции состоят из отдельных ветровых турбин и солнечных панелей, которые могут быть развернуты в различных размерах, от мощных парков до отдельных турбин или солнечных систем здания до модулей на столбах для освещения. Малые станции могут сочетаться в распределительных сетях на низших уровнях напряжения (mini-grid) по сравнению с высоковольтными линиями, что потребует изменения в способе их настройки и эксплуатации.
  6. Несинхронные технологии. Синхронные генераторы связанные с энергосистемой электромеханически и имеют значительную вращательную массу (инерцию), что положительно влияет на устойчивость напряжения и частоте в сети. Установки VRE соединяются с энергосистемой силовой электроникой, которая не имеет инерционной массы, как в синхронных генераторов. Это может потребовать изменений в управлении системой стабилизации. Степень возникновения этих целей зависит от той судьбы, что в целом занимают VRE в системе, и от ее «гибкости», то есть степени адаптивности системы и ее способности постоянно балансировать предложение и спрос для выравнивания изменчивости сезонного, суточного и почасового спроса на электроэнергию, а также поглощать влияние от непредсказуемых сбоев отдельных генераторов и аварий на линиях электропередачи.

Распространение автономных решений

Программа ООН поставила цель устойчивого развития в мире самую широкую доступность надежных и современных источников энергии к населению (SDG 7, ООН, 2018). Эта цель вместе с экологией связана с устойчивым развитием экономик стран и искоренением нищеты. Этому немало способствует распространению рассредоточенных источников энергии, малых сетевых решений (mini-grid) и автономных систем (off-grid).

По оценке IRENA, больше 133 млн. человек благодаря внесетевым ВИЭ — решениям уже имеют доступ к освещению и использованию электроэнергии в быту, см. рис. 3. Из них 24 млн. используют домашние солнечные автономные PV-системы, а по крайней мере 9 млн. подключены к локальным мини-сетям. Почти 95% из всех этих систем — это именно PV-решения.

Рис. 3. Население мира пользуется энергией из автономных источников и локальных мини-сетей. Источник: IRENA «Off-grid renewable energy solutions», 2018.
Рис. 3. Население мира пользуется энергией из автономных источников и локальных мини-сетей. Источник: IRENA «Off-grid renewable energy solutions», 2018.

Общая установленная мощность внесетевых ВИЭ-решений увеличилась с 231 МВт в 2008 году.  до почти 1,2 ГВт в 2017 (см. рис. 4). За счет ускоренной имплементации PV-технологий произошел рост автономных мощностей до> 820 МВт. Именно прямое преобразование солнечной энергии в электричество есть сейчас едва ли не самым выгодным выбором для обустройства электроснабжения в районах, недостаточно охвачены стационарной электросетью.

Рис. 4. Установленная мощность автономных источников и локальных мини-сетей в мире. Источник: IRENA «Off-grid renewable energy solutions», 2018.
Рис. 4. Установленная мощность автономных источников и локальных мини-сетей в мире. Источник: IRENA «Off-grid renewable energy solutions», 2018.

К категории «другие солнечные источники» на рис. 4 отнесены мощности для внесетевого энергообеспечения в таких секторах конечного потребления, как промышленные и коммерческие / общественные учреждения. Кроме того, IRENA на конец 2017 г. имеет сведения о примерно 1,5 ГВт автономной солнечной PV-мощности, конечное использование которого неизвестно, и поэтому она была приобщена к этой категории.

Кроме электрификации, внесетевая мощность для самообеспечения потребностей энергии в промышленности (например, когенерация) выросла с 29 МВт в 2008 году. до почти 200 МВт в 2017 г.

Политика поддержки ВИЭ-решений

Эксперты IRENA рассматривают самую широкую автономизацию энергоснабжения и использования другой рассредоточенной генерации в качестве фактора ускорения глобального перехода к энергетике нового типа, опирающейся на ВИЭ. Рассредоточения и автономизация генерирующих мощностей в первую очередь уменьшают проблему нагрузки VRE на существующие энергосети. Со временем эти ответвленные мощности будут постепенно объединяться с централизованными электросетями, когда построение новых сетей или модернизация существующих линий вместе с новым компенсационным оборудованием получит в этой местности определенный экономический смысл.

Уменьшение уровня проблем от имплементации VRE-генерации в общую энергосистему заключается также в широком одновременном использовании различных технологий ВИЭ, в том числе комбинированных вариантов.

Политика широкой замены углеводородных источников для производства тепла / холода должно сыграть ключевую роль в общей декарбонизации энергетики.

Например, на отопление потребляется более 50% первичной энергии, и сейчас это почти на 70% — энергия из ископаемого топлива. В то же время, совместное использование схемы «тепловой насос / ВИЭ-электрогенерация» уменьшает потребление электроэнергии в несколько раз безотносительно, были ли задействованы автономные или сетевые либо частично присоединены к сети решения.

Политика поддержки стимулирует совместное использование VRE, особенно солнечных термальных установок вместе с PV-генерацией, которые в строительном секторе также поддерживают развитие друг друга. Однако сектор производственной, коммерческой и жилой недвижимости очень медленно заменяет привычные технологические решения для отопления, поэтому здесь должны быть задействованы государственные стратегии.

Этому будет способствовать долгосрочная государственная политика поддержки финансовых, нефинансовых, регуляторных и других воздействий, которые ускоряют имплементацию различных типов ВИЭ совместно и отдельно, автономно и / или в сети, см. таблицу 1. К примеру, в 2016 г. в производстве электроэнергии доля VRE подошла к 45% в Дании и превысила 20% в Литве, Ирландии, Испании и Германии; не менее 8 европейских и 3 южноамериканских страны прошли отметку использования VRE 10%.

Таблица 1. Категории политик по обеспечению доступа к электроснабжению с использованием мини-сетей и автономных систем ВИЭ. Источник: IRENA «Renewable Energy Policies in a Time of Transition», 2018.
Таблица 1. Категории политик по обеспечению доступа к электроснабжению с использованием мини-сетей и автономных систем ВИЭ. Источник: IRENA «Renewable Energy Policies in a Time of Transition», 2018.

Финансовое стимулирование

Налоговые и финансовые стимулы играют сейчас даже большую роль, чем законодательные принуждения со стороны государства. Часто они используются параллельно с политикой тарифного регулирования и заключаются в улучшении доступа к капиталу, уменьшении расходов на финансирование и обременений высокими первоначальными затратами по кредитам для реализации крупных проектов ВИЭ, иногда сочетаются со стимулированием энергоэффективности и тому подобное.

Финансовые стимулы могут применяться в виде налоговых льгот, грантов, стимулировании достигнутых результатов, льготном кредитовании, предоставлении гарантий по снижению рисков. На рис. 5 показано, что создание привлекательных условий для публичного финансирования ВИЭ-проектов сейчас применяется сопоставимо с налоговыми инструментами.

Рис. 5. Мировые тренды в применении финансовых и фискальных стимулов имплементации ВИЭ, 2004-2016. Источник: IRENA «Renewable Energy Policies in a Time of Transition», 2018.
Рис. 5. Мировые тренды в применении финансовых и фискальных стимулов имплементации ВИЭ, 2004-2016. Источник: IRENA «Renewable Energy Policies in a Time of Transition», 2018.

Политика применения аукционов по продаже VRE-электроэнергии способствует существенному снижению цен в конкурентной среде, особенно для крупных производителей энергии. Однако использование только этого инструмента может закрывать доступ к сбыту малым и средним производителям, которые имеют относительно большую себестоимость, а следовательно для них должны применяться другие инструменты стимулирования. Например, это могут быть стимулирующие тарифы для разных по мощности станций.

Стимулирующая политика должна быть стабильной и прозрачной. Хотя существует много проблемных вопросов (в том числе не в последнюю очередь является субсидирование добычи ископаемого топлива, в частности угля), более утонченная и развитая политика стимулирования добавляет перспективы развития ВИЭ.

Итак, по выводам IRENA, нет существенных противоречий относительно того, каким именно системам принадлежит приоритет в имплементации — сетевым или автономным, частично автономным решением, или по какой именно технологии. Более того — ускорение мировой энерготранзиции возможно лишь в условиях совместного использования всех видов ВИЭ, которые лучше локализованы, применяя весь инструментарий по повышению привлекательности инвестирования.

 

Ключевые направления деятельности Авенстон

Промышленные солнечные электростанции

Строим сетевые промышленные солнечные электростанции для работы по "зеленому" тарифу или продажи электроэнергии через систему аукционов. Наземные солнечные электростанции "под ключ" - проект, генподряд, подключение к сетям.
Узнать больше

Коммерческие солнечные электростанции

С 2010 года выполняем полный комплекс работ по разработке проектов, строительству и сервисному обслуживанию солнечных фотоэлектрических электростанций всех типов. Огромный практический опыт строительства солнечных электростанций для бизнеса. 
Узнать больше

Системы накопления электроэнергии

Полный спектр услуг по внедрению технологий хранения энергии (BESS) для солнечных электростанций и других объектов ВИЭ, промышленности и коммерческого сектора. Девелопмент, проектирование, строительство, ввод в эксплуатацию.
Узнать больше

Эксплуатация и сервис

Продлеваем срок службы объектов ВИЭ, увеличиваем их прибыльность, оптимизируем производительность и эксплуатационную доступность, снижаем операционные расходы. Плановое и внеплановое техническое обслуживание, гарантия, сервис.
Узнать больше