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).

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).

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.

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.

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%.

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.

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.