Технология – ключевой вопрос

Энергосистема и хранение энергии

Хотя эксперты в области энергетики согласны с тем, что немецкая энергетическая система должна быть расширена для того, чтобы возобновляемые источники могли занять место в энергоснабжении, но нет единого мнения о том, что именно должно быть сделано. По некоторым подсчетам, необходимо проложить 4,5 тысячи километров новых линий электропередач, однако по мнению некоторых, хватит половины этого. Сегодня энергосистема Германии состоит из 35 тысяч километров сверхвысоковольтных линий электропередач и 95 тысяч километров линий высокого напряжения — и все они были построены для традиционного энергетического сектора, так что в сравнении с этим количество новых линий, необходимых для возобновляемого сектора, незначительно. Кроме того, система насчитывает 510 тысяч километров линий электропередачи среднего напряжения и около 1,1 миллиона километров распределительных линий низкого напряжения.

Переход на возобновляемую электроэнергию технически сложен, так как солнечная и ветровая энергия не распределяемы: нельзя включить ветровые турбины и солнечные панели в сеть так, чтобы угольные и ядерные станции восполняли по мере надобности недостатки в нагрузке. Здесь есть ряд решений.

Основная проблема состоит в том, то определенное количество электричества, необходимое в данный момент времени, должно быть в наличии в этот момент, иначе произойдет перенапряжение и выход сети из строя. В связи с этим, мы традиционно подстраиваем уровень выработки под уровень потребления. Обсуждается ряд различных вариантов аккумуляции и хранения энергии: сжатый воздух в подземных пещерах, гидроэнергетика, маховики, батарейки. Наиболее важно, что Германия планирует использовать природный газ как временный мост к постепенному переходу к биогазу и водороду, произведенному из излишков ветровой и солнечной энергии. Ветровую и солнечную энергию можно аккумулировать в виде газа (технология преобразования электроэнергия в газ, P2G) и использовать в качестве моторного топлива для отопления или для производства распределяемой энергии. В конце концов, с помощью «умных энергосистем» мы научимся подстраивать спрос на энергию к имеющимся в наличии запасам — в противоположность тому, что делаем сейчас.

Потребность в хранении энергии

Европейская интеграция может стать решением, особенно в свете ограниченных возможностей Германии в области гидроаккумуляции. Есть предложение по экспорту больших объемов энергии из Германии в Норвегию и Швейцарию, обладающие огромным потенциалом гидроаккумуляции, но в настоящие момент нет достаточных линий для передачи энергии. Однако работа ведется: в 2015 году начата реализация проекта линии электропередач Nordlink мощностью 1,4 гигаватта между Норвегией и Германией, которая должна быть сдана в эксплуатацию в 2020 году. Однако остается неясным, захочет ли Норвегия или Швейцария (ни одна из которых не является членом Евросоюза) затопить свои долины и фьорды ради того, чтобы обеспечить немцам стабильное снабжение возобновляемым электричеством.

Как считает большинство экспертов, в среднесрочной перспективе потребность в хранении энергии в Германии сведется к минимуму. Согласно исследованию, подготовленному для Всемирного фонда дикой природы, до 2030 года значительного рынка соответствующих технологий так и не возникнет, а немецкая конструкторская организация VDE не ожидает большого спроса на хранение энергии до тех пор, пока доля возобновляемой энергии в Германии не достигнет, как планируется к 2020 году, 40 процентов. Кроме того, как отмечается в докладе немецкий Института солнечных энергетических систем имени Фраунгофера, объем необходимых возможностей хранения зависит не только от доли нестабильной возобновляемой энергии, а скорее от ее сочетания с неизменной базисной нагрузкой. Другими словами, потребность в хранении энергии может быть снижена путем уменьшения базисной генерирующей мощности, в основном электростанций на буром угле и атомных электростанций.

Перспективы расширения возобновляемой энергосистемы

Приведем наглядное сравнение: Германия, доля возобновляемой энергетики которой в начале 1990-х годов составляла 3 процента, в 2016 году достигла в данной сфере уровня, превышающего 32 процента, без значительных технических изменений в сетях. Теперь ветровая, солнечная энергия и биомасса широко распространяются через сети, во всяком случае, в Германии.

Критики возобновляемой энергии иногда ссылаются на то, что для нее необходимо расширять энергосистему. Проблема ветровых станций состоит в том, что их приходится строить в местах, где электричество не требуется, и затем доставлять выработанную энергию в другие регионы.

На самом деле, данное предложение описывает скорее угольную энергию, чем ветровую. Источники солнечной, ветровой и биоэнергии могут быть относительно равномерно распределены по ландшафту, что невозможно в случае традиционной энергии. Напротив, станции на буром угле всегда строятся не там, где нужна энергия, но там, где добывается уголь. Станции, работающие на твердом угле, традиционно строились возле источника угля, например в крупнейшей в Германии промышленной Рурской области. Однако очевидно, что гораздо проще и дешевле передавать большие количества энергии по линиям электропередач, чем перевозить тонны угля. И хотя можно сказать, что угольные станции часто расположены поблизости от промышленных объектов (как в Рурском регионе), это значит принимать следствие за причину. Давайте вернемся на 200 лет назад, к началу индустриализации: большая часть городов в Рурской области были маленькими деревеньками. Не угольные станции строились на Руре, потому что там была промышленность: наоборот, промышленность начала развиваться там, потому что в районе было полно запасов угля.

Более того, хотя атомные станции обычно строятся более или менее там, где нужна энергия, а не там, где добывают уран, эти станции настолько мощны, что всегда требуют расширения под себя энергетической системы. В 1960-70 гг. строительство новых атомных станций в Германии не только требовало расширения энергосистемы, но и привело к установке огромного количества домашних электрических систем отопления, которые вырабатывали тепло из электричества в течение ночи, чтобы не нужно было каждый день регулировать мощность работы атомных станций. Возобновляемая энергия из равномерно распределенных источников — это гораздо более мягкий подход к энергоснабжению с гораздо меньшим воздействием на окружающую среду. Эксперт по возобновляемой энергетике Херманн Шеер (Hermann Scheer), сравнивая распределенное энергоснабжение с нашим традиционным централизованным, назвал последнее «нарезкой масла бензопилой».

Расширение энергосистемы

Существует единое мнение относительно того, что энергосеть нужно расширить для того, чтобы интегрировать в нее возобновляемые источники, но меньше согласия по ряду деталей, например: сколько именно новых линий нужно проложить, где и какого типа. Более того, сам возобновляемый сектор заинтересован в том, чтобы передача энергии была доступной по цене, и потому выдвигает ряд недорогих альтернатив чрезмерному расширению энергосистемы. Кроме того, люди не хотят жить возле линий электропередач, таким образом, необходимо участие общественности в планировании, которое должно быть более прозрачным.

Существующая энергосистема Германии такова

Передающая сеть состоит из примерно 35 тысяч километров линий напряжением 220 и 280 кВ. Это сверхвысоковольтное напряжение, на котором Германия соединяется со своими соседями и при котором энергия передается на большие расстояния.

  1. Примерно 95 000 километров высоковольтных линий (60-110 кВ) для аккумуляции и крупной промышленности.
  2. Примерно 500 000 километров линий среднего напряжения (6-30 кВ) для широкого круга предприятий, таких как, например, больницы.
  3. Около 1 100 000 километров линий низкого напряжения (230-400 В) для жилых домов и малых предприятий.

В Германии действует четыре принадлежащие инвесторам организации, отвечающие за эксплуатацию четырех секторов передающей сети, и более 900 фирм, эксплуатирующих распределительную сеть.

Сколько километров?

Итак, что же необходимо сделать для энергетического поворота страны? В настоящее время источники ветровой энергии сосредоточены в основном на севере, а солнечной — на юге. Энергетическое агентство Германии (dena) опубликовало два исследования («Анализ энергосистемы» I и II), согласно которым нужно провести дополнительно около 4,5 тысячи километров сверхвысоковольтных линий электропередач, если Германия намерена увеличить ветроэнергетические мощности с 27 гигаватт до 51 гигаватта к 2020 году, из которых 10 гигаватт будут размещены на оффшорных и береговых станциях в Северном и Балтийском морях. Но некоторые эксперты считают, что предполагаемую длину линий можно сократить более чем вдвое. Начиная с 2016 года план развития энергетической системы должен обновляться каждые два года. На сегодня в него входят 22 проекта, включающих в себя 1876 км новых линий, из которых 487 были завершены в середине 2015 года.

Безусловно, такие планы подверглись критике со стороны защитников возобновляемой энергетики в Германии, в основном по причине того, что данные, лежащие в основе выводов, не были опубликованы и, таким образом, проверить выводы было невозможно. Однако удвоение установленных ветроэнергетических мощностей потребует лишь расширения передающей сети менее чем на 13 процентов. К тому же, большая часть этих линий не потребовалась бы, если бы правительство больше развивало береговую ветроэнергетику на юге, чем оффшорную и береговую на севере. В последние годы появились новые особые ветровые турбины с более высокими мачтами и более длинными лопастями, спроектированные специально для использования в районах со слабыми ветровыми показателями, как в южной Германии. Размещение таких береговых турбин в южных районах страны не потребует большого количества новых линий электропередач, что в целом сократит затраты, связанные с энергетическим поворотом, а развитие береговой ветроэнергетики значительно менее затратно по сравнению оффшорной.

Аналогично, некоторые сторонники солнечной энергии считают, что к фотоэлектрическим установкам должна применяться система зеленых тарифов, корректируемых в зависимости от региона (как это делается во Франции), которые позволят разместить больше фотоэлектрических установок на севере, что будет содействовать интеграции энергосети.

Модернизации энергосистемы часто сталкиваются с местной оппозицией (люди не хотят жить рядом с линиями воздушных электропередач) и усложнёнными процессами оформления документов. Недостаточное финансирование также замедляет ход событий. В качестве варианта можно рассматривать подземные кабели, однако они характеризуются более высокой стоимостью. По состоянию на 2016 год правительство предпочло подземные кабели воздушным высоковольтным линиям постоянного тока, построенным для соединения северной Германии с южной. В отношении линий переменного тока количество подземных кабелей также было увеличено. В рамках пересмотренного Закона о возобновляемых видах энергии велась дискуссия о сокращении числа новых ветроэнергетических установок, энергия которых продается с аукциона в районах, для которых свойственна нехватка ресурсов.

Но опять-таки, следует иметь в виду, что речь идет о добавлении приблизительно 1900 километров к сети, которая состоит из сотен тысяч километров, установленных исключительно для ископаемой и ядерной энергетики.

В 2017 году Энергетическое агентство Германии объявило, что к 2025 году будут завершены три основные линии электропередач с севера на юг. До тех пор Германия планирует покрывать дефицит за счет резервных электростанций. На зиму 2017-18 годов для этой цели было выделено 10,4 гигаватт.

Альтернативы расширению энергосистемы

Немецкий сектор возобновляемой энергетики не ждет, пока правительство обеспечит ему надежный доступ в энергосеть. Сектор солнечной энергии предлагает способ использовать сверхвысоковольтные линии более эффективно: солнечные энергетические установки могут действовать как «генераторы с фазовращателем» для стабилизации энергосистемы. По мнению представителей сектора, этот подход позволит сократить количество необходимых новых линий электропередач.

Ветроэнергетический сектор также полон идей. Согласно немецким законам, существует так называемое правило «+1»: это означает, что при прокладке линии электропередачи необходимо устанавливать резервную линию, которая сможет принять нагрузку в случае отказа первой. Ветровой сектор предлагает решение, которое может сделать это требование ненужным: специальные линии электропередач, которые соединят возобновляемые источники энергии.

Более того, в рамках деятельности Энергетического союза ЕС планирует усилить энергетические взаимосвязи между странами в целях укрепления энергетической безопасности континента и снижения затрат. В то же время рост в производстве ветровой и солнечной энергии в Германии уже привел к поставкам энергии в Польшу и Чехию, так что дальнейшая интеграция может вызвать проблемы для этих стран. На немецко-польской границе был установлен фазоповоротный трансформатор, активно контролирующий реальные потоки энергии для подачи или блокировки нагрузки. Благодаря ему жители Польши получают больший контроль над своей энергосистемой.