С ростом доли ВИЭ-генерации резко падает надежность энергосистемы, даже в тех случаях, когда мощностью генерации полностью покрывает спрос.
Причина нестабильности сети связана со снижением константы инерции − отношения механической энергии, запасенной во вращающихся при номинальной скорости роторах турбин, к номинальной мощности. У ВИЭ-генерации этот показатель равен нулю. Также нулю инерция равна в массово строящихся для передачи энергии между регионами высоковольтных сетях постоянного тока (HVDC). Ситуация в энергосетях с большой долей ВИЭ анализируется в докладе Оксфордского института энергетических исследований (ОИЭИ) «Встречаем вызов надежности современных электрических сетей: критическая роль инерции».
Летом в своем выступлении перед комитетом Сената США по энергетике и природным ресурсам комиссар Федеральной комиссии по регулированию энергетики (FERC) Марк Кристи заявил, что «Соединенные Штаты движутся к кризису надежности. Я не использую термин «кризис» для мелодрамы, а потому, что это точное описание того, с чем мы столкнулись».
Джим Робб, генеральный директор Североамериканской корпорации по надежности электроснабжения (NERC), агентства, которое обеспечивает соблюдение стандартов надежности сетей, сообщил комитету, что эксплуатация электросети «все ближе к краю» и опора на погодозависимые возобновляемые источники энергии, вероятно, приведет к «более частым и более серьезным сбоям». В июне NERC в своем отчете о надежности энергосетей предупредил, что две трети Северной Америки находятся под угрозой дефицита энергии из-за сильной жары.
Иллюстрацией ситуации стали события в Техасе, энергокомпания которого ERCOT сделала ставку на развитие ВИЭ-генерации.
В 2022 году Техас стал региональным лидером по производству электроэнергии с помощью ветра, производя более четверти общего объема ветроэлектроэнергии в США, и вторым по величине производителем солнечной энергии в стране после Калифорнии. К февралю 2023 года в Техасе было установлено почти 40 ГВт ветровых мощностей, что составляло более одной четверти энергетических мощностей штата. В 2022 году на солнечную энергию приходилось около 5 процентов от общего количества произведенной электроэнергии.
Все помнят морозный февраль 2021 года, когда от отключения электроэнергии в штате погибли сотни людей. В начале сентября морозов в штате не было, однако вечером 6 сентября 2023 года в Техасе была объявлена чрезвычайная энергетическая ситуация 2-го уровня в условиях безветренной погоды.
Джошуа Пейн комментирует:
- Мы видим, как частота сети постепенно снижается в течение почти 30 минут с 60 Гц до почти 59,8 Гц. Известно, что при частоте 59,3 Гц ERCOT инициирует «снятие нагрузки» на 5%, На частоте 58,9 Гц ERCOT снижает еще 10% нагрузки на систему, и, наконец, на частоте 58,5 Гц компания снижает еще 10%, в результате чего общая потеря нагрузки составляет 25%. Если частота остается ниже 59,4 Гц, но выше 58,4 Гц в течение более 9 минут, то примерно 25% электростанций в сети начинают отключаться от сети, чтобы защитить себя. Этот период снижается до 30 секунд при частоте ниже 58,4 Гц, до 2 секунд при частоте ниже 58 Гц и мгновенно до частоты ниже 57,5 Гц.
То, что произошло 6 сентября, заключалось в том, что выработка ВИЭ-генерации упала с 11,9 ГВт до 6,9 ГВт в течение 30 минут. Частотная характеристика показывает нам нечто поистине устрашающее: в течение всего этого 30-минутного периода спрос превышал предложение, а энергия вращения тысяч тонн металла турбин, замедляющего свое вращение с 3600 об/мин до 3588 об/мин, компенсировала разницу. Сеть вышла из равновесия на полчаса. В течение этого времени предложение постоянно отставало от спроса. Если бы разница была больше, если бы для получения дополнительного предложения потребовалось больше времени, если бы майнеры биткойнов продолжали добычу, полный сброс нагрузки был бы неизбежен.
Таким образом, от полного развала сети Техас спасли оставшиеся турбины атомных и газовых электростанций за счет запасенной в них механической энергии.
Цель "нормальной работы" энергосети состоит в том, чтобы частота поддерживалась в пределах 0,1 Гц от номинального значения, пишут авторы. Если частота отклоняется за пределы диапазона ≈ 0,5 Гц от номинального уровня, в большинстве сетей система переходит в "аварийный режим работы", и может произойти частичное отключение источников электроэнергии, как запланированные, так и незапланированные. Если отклонение станет еще более серьезным, это может привести к отказу системы и аварии сети с полной потерей источников питания. Доклад предупреждает: «Восстановление такой ситуации может занять значительное время, что приведет к чрезвычайным последствиям как для экономики, так и для благосостояния людей».
Напомним, что все турбины в энергосети вращаются синхронно. Восстановление сети после полного развала − последовательный запуск с синхронизацией вращения всех турбин относительно первой запущенной. Большего «кошмара» для энергосистем представить невозможно.
В Великобритании, например, где около половины энергогенерации представлено ВИЭ-мощностями, оператор электросетевого комплекса National Grid был вынужден заключить контракт на поддержание в рабочем состоянии пяти угольных электростанций, которые обеспечивают систему электроэнергией, когда это необходимо, а также способствуют поддержанию инерции сети. Падение инерционности энергосистемы Великобритании представлено на графике.
Северная синхронная зона, которая является сетевым регионом с общей частотой, охватывающим Швецию, Норвегию, Финляндию и половину Дании, находится на траектории, аналогичной траектории Великобритании, с увеличением как периодической выработки электроэнергии из возобновляемых источников (главным образом, энергии ветра) в абсолютном и относительном выражении, так и расширением линейки соединителей HVDC. Это привело к ухудшению управления частотой сети в скандинавской синхронной сети. Хотя затраты на управление частотой выросли на 400 процентов с 2014-15 по 2021 год, операторам не удалось вернуть качество энергоснабжения ниже установленного целевого показателя − менее 200 минут в неделю за пределами диапазона частот ≈0,1 Гц.
Чтобы повысить стабильность сети, операторы электросетей Северной Европы недавно ввели новые национальные рынки для службы быстрой частотной поддержки (FFR, fast frequency reserve). В настоящее время это национальные рынки, но на более позднем этапе они должны быть объединены в общий сетевой рынок. Когда условия эксплуатации с низкой инерционностью и относительно большими погрешностями в объемах генерация/потребление совпадают, активируется рынок FFR, чтобы компенсировать отсутствие инерции. Рынок FFR действует за счет увеличения мощности гидроэнергетических турбин или аккумуляторов, или быстрого отключения энергоемких электрических котлов и печей.
Если тенденция к системам с еще меньшей инерционностью сохранится, простого обеспечения системы большим объемом рынка FFR вряд ли будет достаточно, предупреждают аналитики. Недавнее исследование, в котором рассматривалась “100-процентная возобновляемая” шведская энергосистема, показало, что полный набор компенсационных мер также должен включать парк синхронных конденсаторов, оснащенных большими маховиками, в дополнение к значительно расширенному рынку FFR. Анализ показал, что затраты на это увеличатся в двадцать раз по сравнению с системой с существующими или расширенными мощностями ядерной энергетики.
Шведским энергетикам удалось объяснить это правительству, результат: Швеция отменяет запрет на добычу урана и планирует построить как минимум 10 новых ядерных реакторов.
В Австралии затраты на регулирование частоты с 2015 года уже выросли в семь раз, поскольку батареи начали использоваться в попытке предоставить услуги, которые до недавнего времени, по сути, предоставлялись “бесплатно” крупными синхронными генераторами. Энергетики Австралии стараются не повторить развала энергосистемы Южной Австралии 28 сентября 2016 года, когда мгновенный уровень ВИЭ-генерации составлял 50%. Сбой в генерации вызвал падение частоты сети со скоростью 6 Гц/с.
Затраты на компенсацию сниженной инерционности энергосистемы все еще относительно невелики по сравнению с общими затратами энергосистемы, пишут авторы оксфордского доклада, порядка нескольких процентов от общих затрат, но проблемы быстро растут.
Напрашивающийся выход из ситуации в наш век электроники − переход к программно-управляемым компонентам без инерционных вкладов. Но такой подход может создавать новые и серьезные проблемы. Например, вот что случилось 17 февраля 2023 года с линией HVDC мощностью 1400 МВт Nordlink, соединяющей Норвегию и Германию. Линия передавала поток мощностью 1372 МВт из Германии (Континентальная энергосистема) в Норвегию (Северная энергосистема). Программная ошибка в системе управления Nordlink мгновенно переместила поток с почти максимального импорта на экспорт в 348 МВт (из Норвегии в Германию), что привело к недопоставке 1720 МВт в энергосистему Северной Европы. Частота упала почти на 0,6 Гц (до 49,4 Гц), прежде чем, к счастью, стабилизировалась благодаря большой инерционности синхронных генераторов в зимнее время (когда спрос на синхронную генерацию в скандинавской системе самый высокий).
Опыт всех стран, рассмотренный в настоящем документе, является предупреждением о том, что проблема инерции не решится автоматически сама по себе, делают вывод авторы британского доклада. По мере быстрого перехода энергосистем на возобновляемые источники энергии и усиления роли межсетевых соединений огромный запас инерции − побочный продукт выработки электроэнергии турбинами, о котором мало кто беспокоился, может быстро испариться.
ИРТТЭК. Любые безинерционные системы не могут работать в принципе. 100-процентая ВИЭ-генерация в какой-то момент неизбежно приведет к развалу энергосистемы с многодневным отключение потребителей. Понимание этого растет среди лидеров ведущих стран мира. В декларации недавнего делийского форум G20 кроме слов об усилиях по утроению глобальных мощностей в области ВИЭ-энергетики, есть фраза о развитии перспективных и малых модульных атомных реакторов. В соревновании ВИЭ-генерации и атомной генерации у ВИЭ нет шансов на успех. Мир возвращается на траекторию логичного научного развития мировой энергетики.
Материал подготовлен Институтом развития технологий ТЭК
Все материалы рубрики «Нефть и Газ»
02.10.2023
