Як погода і футбольні матчі “заважають” розвитку “зеленої” енергетики

Усі ми знаємо, що “зелена” енергетика – це рішення, яке покликане мінімізувати наслідки глобального потепління у світі. “Зелені” електростанції стають все ефективнішими і дешевшими. То чому територія України досі не всіяна сонячними та вітровими електростанціями? Чому ми досі не отримуємо 100% електроенергії із екологічних джерел?

У цій статті ми спробуємо дати відповідь на ці запитання, а також розповімо про шляхи подолання перешкод до збільшення кількості екологічних електростанцій в Україні.

Відповідно до даних Міністерства енергетики та вугільної промисловості, у першій половині 2018 року частка у виробництві електроенергії для вітрових станцій становить 0,74%, для сонячних – 0,55%. Звісно, “зелена” енергетика не обмежується сонячними та вітровими електростанціями, проте, зважаючи на те, що саме ця категорія екологічних електростанцій виробляє основну масу екологічної електроенергії, та саме їх інтеграція в електроенергетичну систему України є проблемною, ми дослідимо їх.

Ключовим фактором, що обмежує інтеграцію “зелених” виробників в енергетичну систему України, є їх волатильність (мінливість). Візьмімо для прикладу сонячні електростанції. Їхня корисна дія безпосередньо залежить від погодних умов. У сонячний день вони будуть надзвичайно ефективними: кількість виробленої електроенергії сягатиме свого піку ополудні та спадатиме надвечір. У хмарний день їхня продуктивність коливатиметься на мінімальному рівні. Той же принцип застосовують до вітрових станцій: що сильніший вітер, то більше виробництво електроенергії. Цю характеристику вітрових та сонячних станцій називають волатильністю.

Краще розуміти, чому волатильність сонячних та вітрових станцій є каменем спотикання, допоможе знання кількох важливих фактів про енергетичну систему:

ФАКТ 1: Для енергетичної системи важливо, щоб виробники відпускали в мережу рівно стільки електроенергії, скільки на певний момент потребують споживачі. У разі, якщо енергії в мережі буде замало, це загрожує відімкненнями споживачів. Якщо ж електроенергії буде, навпаки, забагато, то підключені до перевантаженої мережі прилади почнуть виходити з ладу, а мережа зношуватися.

ФАКТ 2: За баланс електроенергії в мережі відповідає Укренерго. Як диригент в оркестрі, компанія дає команди виробникам, коли зменшувати чи збільшувати обсяги виробництва у відповідь на зміну попиту. Це й називають балансуванням. При цьому, щоб передбачити рівень попиту на електроенергію, потрібно враховувати найрізноманітніші фактори: від розкладу футбольних матчів до розвитку сюжетних ліній популярних телешоу.

Яскравий приклад – легендарні у Великобританії телевізійні піки (різке зростання попиту на електоенергію під час перерви чи по закінченню трансляції важливих спортивних подій чи телесеріалів). 4 липня 1990 року, наприклад, стався найбільший телевізійний пік в історії країни – 2800 МВт або еквівалент 1,1 млн увімкнених електрочайників. Доленосна серія пенальті наприкінці футбольного матчу між Англією та Західною Німеччиною в півфіналі світового кубку FIFA принесла поразку британській футбольній команді й шалений стрибок у попиті на електроенергію національній мережі. Річ у тім, що одразу, як доля матчу була вирішена, розчаровані глядачі відійшли від екранів і почали вмикати електрочайники, відкривати холодильники та змивати воду в унітазах, запускаючи так електро-насосні станції.

ФАКТ 3: Не всі виробники мають технічну змогу швидко збільшувати чи зменшувати своє виробництво у відповідь на команди Укренерго. Так, наприклад, атомні електростанції (АЕС) в Україні є занадто повільними для виконання таких задач. Ба більше, різка зміна обсягів виробництва на АЕС буде не лише дорогою, а й небезпечною. Натомість вони працюють як базові потужності, тобто виробляють електроенергію на одному рівні за сталим графіком, тоді як стрибки споживання покривають теплові та гідроелектростанції, виконуючи таким чином роль маневрових потужностей. Цей факт гарно ілюструє добовий графік виробництва електроенергії.

Відповідно до розробленого Укренерго “Звіту з оцінки відповідності (достатності) генеруючих потужностей“, максимальний рівень потужності сонячних (СЕС) та вітрових (ВЕС) електростанцій, які може прийняти енергетична система України без серйозних відхилень у роботі, наразі сягає 3000 МВт. Це число, пов’язане із волатильністю СЕС та ВЕС, і є ґрунтовним обмеженням для розвитку “зеленої” генерації в Україні.

Утім, існує багато опцій для подолання зазначеної проблеми та інтеграції сонячних та вітрових станцій до енергетичної системи.

Розгляньмо зазначені способи інтеграції ВДЕ в енергетичну систему України детальніше:

1. Високоманеврові потужності – напевно, найочевидніша частина рішення, адже українській енергетичній системі наразі їх не вистачає. Щоб збалансувати кількість електроенергії в системі, використовують навіть ті ТЕС, які були спроектовані для роботи в базових режимах, тобто зі сталим рівнем виробництва. Таке використання підсилює зношуваність станцій, cкорочує термін їх експлуатації та зумовлює надмірне використання палива. Ба більше, навіть ті станції, що призначені для балансування (ГЕС та ГАЕС), не можуть використовуватися на повну потужність в останні роки через маловодність річок. А коли до системи будуть залучати більшу кількість сонячних та вітрових станцій із характерним для них мінливим рівнем виробництва електроенергії, ситуація загоститься іще більше.

Аби в майбутньому не бути змушеною обмежувати розвиток “зеленої” енергетики, Україна має уже зараз інвестувати в будівництво маневрових та швидкодіючих станцій. Так, відповідно до плану “Залучення сонячних та вітрових електростанцій до покриття навантаженя ОЕС України” Укренерго лобіює збільшення потужності маневрових та швидкодіючих потужностей на 2 000 МВт до 2025 року.

При цьому важливо, аби паливо, на якому працюють маневрові потужності, як і будь-які ТЕС, було максимально екологічним. Спалювання природного газу, наприклад, вивільняє майже вдвічі менше парникових газів, ніж спалювання вугілля, тому природний газ нині вважають перехідним паливом від системи, що базується на корисних копалинах, до такої, що буде збудована на відновлюваних джерелах енергії.

2. Система точного прогнозування. Кількість електроенергії, виробленої сонячними та вітровими станціями, прямо залежить від погодних умов. Надійні метеорологічні прогнози, оптимізовані для застосування в енергетиці, можуть значно полегшити прогнозування виробництва та подальше балансування. На жаль, нині зазначені прогнози в Україні є досить неточними. У цьому контексті потрібно брати приклад з Німеччини, яка ще з 2012 року почала активно фінансувати дослідження у сфері й у такий спосіб значно підвищила точність прогнозування в енергетиці.

3. Вільна транскордонна торгівля. Можливість торгувати електроенергією з країнами-сусідами значно підвищує гнучкість системи, адже в критичний момент ми завжди можемо продати надлишкову електроенергію, або придбати електроенергію, якої не вистачає. Чим більше країн-партнерів, тим безпечніша й гнучкіша система і тим більше “зелених” електростанцій може бути в неї інтегровано.

Красномовним прикладом використання транскордонної торгівлі є Данія. Країна прагне повністю замінити викопне паливо відновлюваними джерелами енергії до 2050 року. Проміжний крок – 50% електроенергії від вітрових електростанцій до 2020 року. При цьому ціль майже досягнута: у 2017 році вітрові станції мали достатню потужність, аби задовольнити 43,4% загального попиту на електроенергію в країні. Секрет успіху – транскордонна торгівля та інтеграція електромережі з мережами сусідніх країн.

Для України інтеграція енергетичної системи до європейської мережі (ENTSO-E) теж є однією з ключових цілей. Свідченням прогресу на цій ниві є підписання угоди з європейськими партнерами про умови майбутнього об’єднання, а також розробка плану реалізації заходів з інтеграції.

Інтеграція з ENTSO-E відкриє фізичні шляхи торгівлі електроенергією з Європою (йдеться здебільшого про розвиток мереж, якими рухатиметься електроенергія), тоді як запуск ринку електроенергії у липні 2019 року створить юридичне підґрунтя.

4. Управління попитом – це спосіб зменшення навантаження на систему під час пікових навантажень та в періоди падіння виробництва електроенергії з ВДЕ. Важливо знати, що в моменти пікових навантажень електроенергія на ринку стає дорожчою: високий попит і мала пропозиція зумовлюють високу вартість товару. У такі моменти вигідно зменшувати споживання електроенергії. Це можна зробити кількома способами, ключовими серед яких є такі:

А) Оператор системи та великі споживачі підписують договір про надання послуг балансування. Відповідно до нього, споживачі зменшують чи збільшують кількість спожитої електроенергії залежно від до вказівок оператора та отримують за цю послугу плату.

Б) Споживачі можуть самостійно зменшувати або збільшувати споживання у відповідь на зміну вартості електроенергії. Такий варіант є можливим із запровадженням в Україні “розумних” мереж та технологій, що дозволять споживачам в реальному часі слідкувати за ціною на ринку.

5. Зберігання електроенергії. Висока вартість зберігання електроенергії довгий час була фундаментальним обмеженням для світової електроенергетики. Однак із часом так звані накопичувачі (спеціальні акумуляторні батареї для збереження значних обсягів електроенергії навіть у масштабах цілої країни) почали вдосконалюватися й ставати дешевшими. Їх використання уже зараз може частково компенсувати стрибки у виробництві електроенергії “зеленими” електростанціями. У планах Укренерго забезпечити електроенергетичну систему України накопичувачами із сукупним потенціалом збереження 500 МВт електроенергії до 2025 року.

ВИСНОВКИ

У своїй енергетичній стратегії Україна задекларувала намір до 2035 року збільшити частку відновлюваної енергетики до 25%. Перешкодою на шляху до цієї цілі є неготовність мережі прийняти таку кількість волатильних електростанцій, зокрема необхідність належного балансування електроенергії в системі. Зробити систему більш гнучкою можна за допомогою сукупності заходів: збільшення кількості маневрових та швидкодіючих потужностей, вдосконалення системи прогнозування в енергетиці, забезпечення активної транскордонної торгівлі, запровадження програм з управління попитом та встановлення накопичувачів електроенергії.