Ветер и солнце вместо нефти, газа и угля

Ветер и солнце вместо нефти, газа и угля

13 марта 2017 15:52

Во всем мире альтернативная энергетика набирает обороты. Для сравнения: еще в 2013 году 80% электроэнергии в мире вырабатывалось на традиционном топливе — угле, природном газе и нефти. В 2016 году соотношение изменилось к пропорции 50 на 50 — с учетом гидроэлектростанций, атомных станций, а также новых технологий, использующих энергию воды, ветра и биомассу. При этом в последние годы растет удельный вес именно последней категории — это так называемая зеленая энергетика, которая работает исключительно за счет возобновляемых ресурсов и почти не наносит вреда окружающей среде. 

Может создаться впечатление, что солнечная и ветроэнергетика — это основное направление энергетического развития в будущем, причем для всех, включая и страны Балтии. Но так ли это, и какие могут быть альтернативы для энергетики наших стран в объединенной Европе?

Когда читаешь, что общая мощность ветряных электростанций в Европе превысила мощность теплоэлектростанций, работающих на угле, и они обеспечили около 10% всего потребления электроэнергии на континенте, возникает естественное желание как можно скорее подключиться к этому бизнесу.

Тем более, что в отдельные дни 2016 года ветряные станции Германии давали на пике до 87% всей выработанной электроэнергии, в результате цены на электричество ушли в минус — то есть, начались выплаты тем, кто это электричество вырабатывает. Это звучит почти что сказкой, так как пока ни в Литве, ни в Латвии ни в Эстонии мы ничего не знаем о таком аттракционе неслыханной щедрости.

Электричество как товар

Когда мы восторгаемся величиной пиковой мощности солнечных или ветряных электростанций, то часто упускаем из вида одну важную вещь — электричество, к сожалению, это не тот продукт, который можно легко отгрузить на склад.

Основное правило использования электроэнергии можно изложить так: сколько электричества производится, столько его и должно потребляться. Связано это с тем, что электроток — это не физический объект, типа воды, зерна, или угля — а процесс, который изменяется во времени.

Все электрическое оборудование рассчитано на ту или иную силу тока, его напряжение и частоту. При этом нормы для частоты очень строгие, она должна оставаться постоянной — отклонения допускаются в диапазоне не более 0.2 Гц, поскольку частота тока связана с частотой вращения всех электродвигателей в сети. А это не только бытовые вентиляторы, но и огромное количество производственной техники, о которой мы даже не задумываемся в повседневной жизни.

Когда в системе существует баланс генерируемой и потребляемой мощности, частота тока остается неизменной. В случае падения частоты нужно увеличить мощность, вырабатываемую на электростанциях, а в случае увеличения — соответственно уменьшить. То есть, энергосистема постоянно подстраивается под потребителей.

Солнечная и ветроэнергетика, к сожалению, имеют «врожденные пороки», которые усложняют работу электросистем. Прежде всего — это цикличность солнечных станций, которые дают пик мощности в полдень и не дают совсем ничего ночью. Их отдача падает в пасмурную погоду. Ветроэлектростанции зависят от погоды и могут также остановиться в штиль или в шторм. Таким образом, если в ветреный полдень в единую электросистему будет поступать много энергии от ВИЭ, это значит, что тепловые и атомные станции, а также ГЭС должны будут уменьшить свою выработку электроэнергии. И с наступления вечера вновь ее увеличить, чтобы не допустить падения частоты в системе.

Проблема в том, что атомные станции в силу самой своей технологии не способны на скачкообразные изменения мощности. Тепловые станции на газе и угле тоже в общем-то рассчитаны на стандартные режимы работы и допускают предельно допустимую разгрузку в диапазоне от 20 до 60%, при этом стремительно падает их экономичность.

Решение вопроса кроется в создании условий, когда излишки электроэнергии можно было бы накапливать каким-либо образом в значительных объемах или с малыми потерями перебрасывать к нуждающимся потребителям. Так открывается еще один рынок, который пока не столь популярен, как рынок ВИЭ.

Что такое установленная мощность

Одной из важнейших характеристик электрогенерирующих систем является мощность, которую в подавляющем большинстве случаев указывают в ваттах и других производных единицах, например мегаваттах (1 МВт = 1 млн Вт.).  При этом достаточно часто употребляют термин «установленная мощность» электростанции, то есть это суммарная паспортная мощность всех агрегатов.

Широко употребляемый термин «максимальная мощность» довольно лукавый — поскольку на практике очень многие электростанции не в состоянии выдавать эту самую мощность в течении длительного времени, в силу естественных причин. Например, существуют так называемые «пиковые гидроэлектростанции», которые выдают ток в сеть в момент его максимального потребления и всего несколько часов, так как в водохранилищах заканчиваются запасы воды. Пиковыми можно считать и солнечные электростанции, которые способны выдавать самое большое количество тока в полдень.

Поэтому прямое сравнение мощности электростанций дает неверное представление об их доле в обеспечении электроэнергией потребителей. В этой связи чаще применяют такую единицу как киловатт или мегаватт*час, что означает выработку или потребление электроэнергии мощностью в 1 мегаватт в течении 1 часа.

Например, электростанция пиковой мощностью  в 100 мегаватт, но работающая всего три часа в сутки выдаст в сеть 300 Мвт*час электроэнергии, а станция мощностью 20 мегаватт, но работающая круглосуточно произведет 480  Мвт*час. У энергетиков существует понятие — коэффициент использования установленной мощности (Capacity factor) который показывает отношение реально произведенной электроэнергии к предельно возможному объему за то же время. В нашем «идеальном» примеру КИУМ для одной станции составляет 100%, а для другой, работающей время от времени — 12,5%

На практике, самый высокий КИУМ у атомных станций — до 90%, значительно меньше — у тепловых, гидро- и ветроэлектростанций, он колеблется от 20 до 50%. Самый низкий уровень — у солнечных электростанций — начиная от 5% в Германии и до 20 с лишним процентов в Аризоне. 

Из чего производится балтийская электроэнергия

Все послевоенные годы в составе СССР страны Балтии в энергетическом плане развивались как часть единой энергетической системы. Идеология ЕЭС заключалась как в возможности переброски энергетических потоков в масштабах страны, так и в обеспечении известной автономности в случае аварийных ситуаций. В этой связи на территории Литвы, Латвии и Эстонии создавались как постоянные электрогенерирующие мощности, так и пиковые.

Сегодня энергосистемы трех балтийских республик сильно различаются. Эстония — единственная из трех стран производит достаточное для внутренних потребностей количество электроэнергии, а излишки продает —в основном, в соседнюю Латвию. Правда,  большая часть электроэнергии — 94% — вырабатывается на двух крупнейших тепловых электростанциях близ Нарвы: Балтийской и Эстонской. В основном, вся тепловая энергия вырабатывается на собственных сланцах. Кроме этого, Эстония импортирует российский природный газ, а также сжиженный норвежский газ из Литвы. «Зеленой электроэнергии» в энергобалансе Эстонии — 5,1%, она вырабатывается на ветряных станциях.

Латвия, в отличие от Эстонии, не покрывает полностью свои потребности в электроэнергии: 13% она закупает — у своей более успешной северной соседки, а также у России. Чуть больше половины электроэнергии Латвия вырабатывает на двух тепловых электростанциях, еще 34% вырабатывает каскад Даугавский ГЭС: Плявинская ГЭС с установленной мощностью 868 МВт и годовой выработкой около 1500 ГВт*час, Кегумская ГЭС мощностью  270 МВт и годовой выработкой до 570 ГВт*час, и Рижская ГЭС мощностью 400 МВт с годовой выработкой 640 Гвт*час. 2% электроэнергии в Латвии производится на ветряных турбинах.

Лидер по внедрению «зеленой электроэнергии» в балтийском регионе — Литва. 28% домашней электроэнергии вырабатывается на ветряных электростанциях: по этому показателю Литва держит первое место в Евросоюзе. Именно здесь, в Шилуте,  работает крупнейший в странах Балтии ветропарк, введенный в эксплуатацию в мае 2016 года.

Правда, здесь надо учитывать, что 67% своих потребностей Литва покрывает за счет импорта электроэнергии. Так что в общем объеме потребления электроэнергии на долю ветряных электростанций приходится 9%, на долю биоэнергии — 4%, на еще 8% вырабатываются на гидроэлектростанциях, а 11% — на тепловых электростанциях.

Об экологических рисках

При этом альтернативные электростанции, работающие на возобновляемых источниках, не всегда абсолютно лишены рисков. Конечно, наибольшие экологические риски связаны со строительством равнинных гидроэлектростанций — это затопление сельхозугодий, загрязнение вод, нарушение путей миграции рыбы и так далее. 

В случае с солнечными станциями рисков несравненно меньше — они не являются загрязнителями в процессе их эксплуатации. Однако их изготовление и утилизация вызывают вопросы как у экологов, так и у специалистов по санитарной медицине.

Больше всего дискуссий вокруг ветрогенераторных установок. С одной стороны, некоторые считают, что ветрогенераторы создают вредный шум для местных жителей, если они расположены в непосредственной близости от человеческого жилья. Существует даже такое понятие — «синдром ветрогенератора», которое описывает недомогания, связанные с нахождением вблизи работающего ветряка.

Однако этот спор решается сам собой, если ветропарки расположены вдали от человеческого жилья, например в морских акваториях. Вместе с тем, есть еще одно возражение — они нарушают пейзаж. В сумме формируется негативное отношение к этому вопросу — настолько негативное, что его даже используют политические партии для борьбы за голоса консервативных избирателей, как, например, в Финляндии.

Во всех случаях основная проблема связана с тем, что как сторонники ВИЭ не умеют объяснить преимущества своих систем, и ищут различные способы лоббировать те или иные решения, не вдаваясь в волнующие людей детали. В свою очередь, консервативно настроенные жители склонны любые изменения трактовать как ухудшение ситуации, и также не настроены на спокойный диалог.

Ветер и солнце Балтии

С природными ресурсами балтийским республикам не очень повезло: что на этой территории никогда не было своих углеводородных ресурсов, кроме сланцевого бассейна в северо-восточной Эстонии. Поэтому, наряду с импортом угля, большое значение уделялось возобновляемой энергетике, прежде всего — гидроэнергетике. Самой мощной до Второй мировой войны была Кегумская ГЭС на реке Даугава в Латвии.

В советское время на территории прибалтийских республик были построены крупные электростанции на реках Даугава и Нямунас (Неман), ряд тепловых и Игналинская атомная станция (ныне закрытая). Привязка к Единой энергосистеме СССР решала вопрос с обеспечением электроэнергии. Поэтому и интерес к солнечным и ветростанциям был минимальным.

С другой стороны — стоит отметить, что незначительный интерес к этим направлениям генерации вполне объективен. Нельзя сравнивать потенциал в той же ветроэнергетике, опираясь лишь на общегеографические критерии. Поток ветра, который может быть утилизирован ветрогенератором, зависит от многих факторов — времени года, температур, рельефа местности, наличия лесов, строений и тому подобных деталей. В результате, в Дании количество часов хорошего ветра за год составляет в среднем около 3183, в Ирландии — 2533, в Великобритании — 2434 и в Нидерландах — 2204.

С другой стороны, на Кипре всего 1342, а в Венгрии 1424 и в Финляндии 1563 часа в год. Страны Балтии ближе к нижней части этого списка: в Литве 1697, в Латвии 1716 и в Эстонии 1812 часов хорошего ветра в год, что меньше среднего по Евросоюзу — 1979 (кстати, почти столько же в Германии).

С «солнечным» электричеством тоже не все просто. Теоретически, самая большая эффективность солнечных батарей должна быть, когда солнечные лучи падают перпендикулярно плоскости батареи. Однако на эффективность выработки влияет и наличие облачности, прозрачность атмосферы, высота солнца над горизонтом.

Влияние метеорологических факторов показывает ряд часов солнечного сияния в городах, расположенных вдоль одной, 60-ой параллели северной широты. В частности, в Осло 1668 часов солнечного сияния в год, в Стокгольме — 1821, в Хельсинки — 1780, в Таллине — 1783, в Санкт-Петербурге — 1636. Хотя в отсутствии облачности оно должно было быть практически равным.

В Риге число часов солнечного сияния чуть меньше, чем в Таллине — 1757, а в Вильнюсе еще меньше —только 1588 часов. Но климат в Вильнюсе все же теплее, чем в Стокгольме. Для сравнения: в Марселе, на юге Франции, 2858, а в Ла-Валетте, столице Мальты 2957 часов солнечного сияния в год — то есть, вдвое больше, чем в Вильнюсе.

Вариант «Б»

С другой стороны, может быть, у нас есть варианты сохранения энергии, и мы могли бы предложить Евросоюзу себя как раз в роли «хранителя» электричества? Впервые такую идею высказали в 2004 году, когда возник проект кабеля Swindlit, который должен был связать ветропарки у побережья Швеции с Литвой, в частности — с Круонисской гидроаккумулирующей станцией на Немане. Эта станция мощностью 900 МВт начала строиться в 1978 году, первый агрегат был запущен в 1992 году, а четвертый — в 1998 году.

Изначально предполагалось, что при наличии избытка электроэнергии со шведской стороны она отправлялась бы в Литву, и Круонисская станция начинала бы закачивать воду из реки Неман в верхнее водохранилище. Когда же ветер спадал или потребность в электричестве увеличивалась, вода спускалась бы вниз и крутила турбины как в обычной гидроэлектростанции.

Позже это проект стал смычкой между локальными энергетическими сетями, известной как NordBalt, но Круонисская ГАЭС по-прежнему играет важную роль в нормировании электропотока, и литовские власти ведут разговоры об установке еще одного агрегата мощностью 225 МВт.

Однако строительство ГАЭС — дело не из дешевых. С другой стороны, существуют принципиально новые подходы к созданию аккумулирующих энергию систем. Один из них — это использование «лишнего» электричества для сжижения воздуха. Жидкий воздух уменьшается в объеме примерно в 700 раз, и во столько же раз увеличивается при переходе из жидкого состояния при температуре около минус 196 градусов к нормальной температуре.

В 2010 году компания Highview Power Storage построила экспериментальную установку мощностью в 5 кВт, которая показала эффективность до 70%, что близко к эффективности ГАЭС. И вот в прошлом году близ Манчестера заработала первая промышленная криоаккумулирующая электростанция (КАЭС) мощностью 5 МВт, которая может  обеспечить запасенной энергией около 5000 домохозяйств в течении трех часов. Разработчики уверяют, что эта система может быть собрана и установлена где угодно.

Но есть еще один способ, который особенно интересен для Латвии — а именно системы сохранения энергии путем закачки в подземные пласты сжатого воздуха. Сжатый до 70 атмосфер воздух или иной газ закачивается в подземные хранилища при избытке энергии, а затем выпускается через турбины-генераторы по мене необходимости. Такие системы уже работают в Хандорфе, Германия и Макинтоше, штатт Алабама, США. Возможно, вместо новых подземных газохранилищ стоит разработать подобные воздушно-аккумулирующие электростанции?

Необходимо уже сейчас думать над тем, что станет с нашей энергетикой через 20-30 лет, и приступать к обсуждению вариантов, рассматривая самые разные сценарии. 

Инфографика подготовлена совместно журналистами программы «Балтия. Неделя» телеканала «Настоящее время» и журналистами «Новой газеты — Балтия».  Очередной выпуск программы «Балтия. Неделя» смотрите в субботу в 20.00 по латвийскому времени.


Комментарии

Нет комментариев

К этому материалу еще нет комментариев

Написать комментарий:

Вы также можете оставить комментарий, авторизировавшись.