Широкомасштабное развитие возобновляемых источников энергии и его влияние на рынок электроэнергии и сетевую инфраструктуру
 Скачать 2.33 Mb.
|
|
Рисунок 3.1.10 – Производство электроэнергии в США 2010-2050 В долгосрочных тенденциях развития электроэнергетики США (AEO 2020) прогнозируется существенный ввод мощности на солнечной энергии и на природном газе; угольные, атомные мощности и менее эффективная генерация на природном газе будут выводиться из эксплуатации (Рис. 3.1.11). Рисунок 3.1.11 – Суммарные вводы и выводы генерирующих мощностей в США, 2020–2050 27 https://www.eia.gov/outlooks/aeo/pdf/AEO2020%20Full%20Report.pdf 34 Чикаго перейдет на ВИЭ к 2025 г., Атланта и Массачусетс – к 2035 г., Гавайи и Калифорния – к 2045 г., Пуэрто-Рико – к 2050 г. Лас Вегас уже сегодня обеспечивает 100% своих потребностей в электроэнергии за счет ВИЭ. В 2018 г. вновь избранные губернаторы штатов Иллинойс, Колорадо, Мэн, Невада и Нью-Мексико объявили о намерении внести в местное законодательство норму о переходе на ВИЭ. В частности, Колорадо планирует перейти на ВИЭ к 2040 г. Остальные штаты пока не определились с окончательными целями, а в ближайших планах штатов Иллинойс и Невада увеличить долю ВИЭ до 25 % к 2025 г. 28 О готовности полностью перейти на ВИЭ объявили недавно главы 58 американских городов, 29 В Великобритании более 90 городов поддержали инициативу о переходе на ВИЭ к 2050 г. 30 Собираются перейти на ВИЭ скандинавские города Осло, Хельсинки, Стокгольм, Копенгаген. А шведский город Мальме уже полностью использует зеленую энергию. Более 100 городов в мире получают основную часть (не менее 70 %) электроэнергии от ВИЭ, а 42 города —100 % 31 Многие крупные компании сделали переход на ВИЭ составной частью своей климатической и энергетической стратегии. На Климатической неделе в Нью-Йорке 2014, была сформулирована и оформлена глобальная инициатива корпоративного лидерства RE100, объединяющая влиятельные компании, приверженные 100% возобновляемой электроэнергии. Цель RE100, возглавляемая Климатической группой в партнерстве с Carbon Disclosure Project (CDP), состоит в том, чтобы ускорить переход к нулевым углеродным сетям в глобальном масштабе 32 Эта инициатива направлена на повышение корпоративного спроса и, в свою очередь, на предложение возобновляемой энергии путем: – Объединения крупных компаний, стремящихся к поставке 100% возобновляемой электроэнергии в глобальном масштабе в кратчайшие сроки (не позднее 2050 года); – Установления планки корпоративного лидерства в области возобновляемой электроэнергии, привлечение членов к ответственности и популяризация их достижений, чтобы побудить других следовать за ними; – Предоставления убедительных аргументов в пользу возобновляемых источников энергии компаниям, коммунальным предприятиям, операторам рынка, политикам и другим ключевым авторитетам; – Широкого информирования о любых барьерах на пути реализации коммерческих и экономических выгод от возобновляемой электроэнергии, о которых сообщили члены RE100; – Работы с членами RE100 и в партнерстве с другими для выявления и устранения политических и рыночных барьеров на пути к снабжению корпораций возобновляемой электроэнергией. В группу RE 100, которая объединяет компании, выступающие за обеспечения своих энергетических потребностей полностью за счет ВИЭ, входят такие известные мировые бренды, как IKEA, Facebook, General Motors, Google, Goldman Sachs, H&M, HP, HSBC, Microsoft, Sony, Unilever, Vestas, Walmart и другие. Всего на сегодняшний день в группу входят 229 компаний 33 28 http://renen.ru/five-new-us-governors-are-aimed-at-a-complete-transition-of-their-states-to-renewable- energy/?fbclid=IwAR1TGuKslE92NjU5d8RB90myra_4BzryUP-jTS2tn- 7APb6WWRHl-HFElj4I 29 https://impact.vice.com/en_us/article/kzn3an/with‑50-us-cities-committed-to‑100-percent-clean- energy‑2018-presents-new-renewable-challenges?utm_campaign=sharebutton 30 https://www.uk100.org/ 31 https://www.theguardian.com/cities/2018/feb/27/cities-powered-clean-energy-renewable 32 http://there100.org/re100 33 http://there100.org/companies 35 На долю компаний в коммерческом и промышленном секторе приходится около двух третей конечного потребления электроэнергии в мире. Переключение этого спроса на возобновляемые источники энергии трансформирует мировой энергетический рынок и ускоряет переход к чистой экономике. Необходимо отметить, что развитие ВИЭ создает несколько социальных и экономических выгод, таких как растущая занятость. Согласно IRENA, количество рабочих мест в секторе может быстро возрасти с 10,3 миллиона в 2017 году до почти 29 миллионов в 2050 году. Во всем энергетическом секторе только 20-25% работников являются женщинами, в отличие от 35% в секторе возобновляемых источников энергии. Важно также использовать этот сдвиг для достижения целей гендерного равенства в быстро растущем секторе возобновляемых источников энергии 34 , которое имеет решающее значение по нескольким причинам: Во-первых, более широкое участие женщин позволяет сектору привлекать дополнительные таланты. Во-вторых, разнообразие рабочей силы на всех уровнях, включая высшее руководство, приносит существенные выгоды организациям с точки зрения роста, культуры и устойчивости. В-третьих, при обеспечении справедливого перехода к энергетическим аспектам справедливость его выгод учитывается в социальных и экономических группах. В 2017 году в соответствии с законодательством Австрии создана международная некоммерческая организация – Глобальная организация «Женщины за энергию» (GWNET). GWNET расширяет возможности женщин в области энергетики посредством междисциплинарных связей, защиты законных прав, обучения, коучинга и наставничества, а также услуг, связанных с проектами и финансированием. GWNET стремится устранить нынешние гендерные дисбалансы в энергетическом секторе и продвигать действия, учитывающие гендерные аспекты, во время энергетического перехода во всех частях мира 35 34 https://www.worldfuturecouncil.org/re-a-catalyst-for-gender-equality/ 35 https://globalwomennet.org/wp-content/uploads/2019/09/GWNET_flyer.pdf 36 3.2. Проблемы и решения интеграции переменных ВИЭ в энергосистему Анализ достигнутых результатов и прогнозы развития ВИЭ свидетельствуют, что электроэнергетика многих стран мира претерпевает значительные изменения, цель которых – обеспечение всеобщего доступа к недорогим, надежным, устойчивым и современным источникам энергии для всех 36 . Эта цель достигается активной интеграцией различных традиционных и возобновляемых источников энергии в широком спектре мощностей от малых объектов распределенной генерации до крупных сетевых электростанций, что влечет за собой трансформацию энергетических систем. Основными факторами, определяющими быструю трансформацию энергетических систем в мире, являются: – стремление повысить надёжность и эффективность работы энергетических систем, расширить доступность энергии с использованием инновационных технологий, обеспечить высокий уровень экологической и климатической безопасности. При этом использование возобновляемых источников энергии в сочетании с повышением энергоэффективности рассматривается, как основные меры достижения указанного решения по климату; – значительное уменьшение стоимости технологий производства и потребления электроэнергии, включая ветровые и солнечные электростанции, распределённую генерацию, электротранспорт, системы управления спросом и накопления энергии; – развитие электрификации экономики, расширение цифровизации и автоматизации энергетических систем. Происходящие технологические изменения сопровождаются созданием институциональной основы, определяющей регулирующие, технологические и экономические правила надёжного и эффективного развития и функционирования энергетических систем в новых условиях. Иными словами, идёт активный процесс создания политических, рыночных и регулирующих условий, а также установление практики планирования и функционирования энергетических систем, которые ускоряют инвестиции, инновации и использование интеллектуальных, эффективных, надёжных и экологически безопасных технологий. Происходящая трансформация энергетических систем приводит к изменению взаимодействия между передающей и распределительными электрическими сетями, показанному на рис. 3.2.1. Рисунок 3.2.1 – Изменения в интерфейсе между передающими и распределительными сетями (по данным IEA (Status of Power System Transformation, 2017) 36 https://www.energy.gov/oe/activities/technology-development/grid-modernization-and-smart-grid 37 Электрические сети низкого и среднего напряжения меняют свои функции от пассивного распределения электроэнергии между потребителями на активное интеллектуальное управление с двунаправленными потоками электроэнергии и информации. Успешный переход требует должного рассмотрения трёх ключевых аспектов, в том числе: технологического: обеспечение надёжной и эффективной работы энергосистемы в изменяющихся условиях приводит к новым приоритетам для энергокомпаний и регулирующих органов. Использование передовых информационных и коммуникационных технологий (цифровизация) позволяет улучшить наблюдаемость и управление энергетическими системами и открывает возможности для существенного расширения управления спросом; экономического: рост распределённой генерации и повышение экономичности накопителей энергии требуют реформы розничного ценообразования и налогообложения поставок электрической энергии с учётом оплаты поставляемой ими электроэнергии и покрытием части стоимости общей инфраструктуры; институционального: изменятся функции и обязанности субъектов управления. Приоритетным станет улучшение координации между операторами передающих и распределительных сетей. Кроме того, в управление должны быть включены совершенно новые субъекты, такие как агрегаторы. Условно можно выделить четыре этапа (фазы) интеграции VRE и связанные с ними ключевые проблемы, дифференцированные по возрастающему воздействию растущей доли генерации VRE на энергетические системы (Таблица 3.2.1) На первом этапе, когда доля ВИЭ в годовой выработке не превышает 3%, специальных мер для ее интеграции обычно не требуется, если только ВИЭ не являются сильно локализованными в энергосистеме. На втором этапе, когда доля ВИЭ составляет 3- 15%, необходима адаптация имеющихся ресурсов регулирования, технологий и способов управления энергосистемой. На третьем этапе, когда доля ВИЭ превышает 15% от годовой выработки, а также дальнейших стадиях уже требуется глубокая перестройка работы энергосистемы и внедрение новых средств и инструментов поддержания работы энергосистемы. Четвертая стадия - более 50% годовой выработки ВИЭ-генерации. Для успешной интеграции такого объема ВИЭ-генерации в энергосистему необходимо, прежде всего, решить вопросы стандартизации технических требований к вводимому оборудованию ВИЭ. Автоматика ограничения снижения и повышения напряжения и частоты должна соответствовать параметрам системы. Это практически ничего не стоит на этапе проектирования, но становится затратным, когда проекты уже реализованы. Также необходимо учитывать, что в разных странах нормативы отклонения частоты электрического тока отличаются, соответственно, у генерирующего оборудования разных производителей реакция на изменение частоты тоже может быть разной. Если ВИЭ не будут соответствовать необходимым техническим требованиям, они могут стать потенциальным источником аварий. То же самое относится к работе релейной защиты этих объектов. Все эти технические требования могут и должны быть установлены на уровне документов регуляторов, Помимо вопроса стандартизации технических требований к оборудованию ВИЭ для надежной работы энергосистем со значительным объемом ВИЭ необходимо развивать системы прогнозирования выработки ВИЭ, поскольку в отсутствие достоверных прогнозов их работы в энергосистеме необходимо постоянно поддерживать полноценное резервирование в объеме ВИЭ, что фактически означает необходимость дополнительного включения тепловой генерации и ее работы в неэкономичных режимах и/или резервирования пропускной способности электрических сетей. 38 Таблица 3.2.1 – Основные фазы (этапы) интеграции ВИЭ 37 В настоящее время фаза 4 является самой высокой фазой интеграции VRE, которая была достигнута на практике. Небольшое число стран и регионов (например, Дания, Ирландия и Южная Австралия) достигли фазы 4, но многие другие энергосистемы все еще находятся на фазах 1 и 2 и имеют 5-10% долей VRE в годовом производстве электроэнергии (рис. 3.2.2). Однако общее направление этого перехода уже ясно: для большинства стран ожидаются более высокие этапы системной интеграции, что отражается в увеличении уровней развертывания VRE. На четвертой стадии развитие не останавливается и можно выделить пятую и шестую фазы. Для рационального распространения ВИЭ в среднегодовых объемах, превышающих 50% (фаза 5), для того, чтобы избежать искусственного ограничения выработки и, соответственно, ухудшения экономики генерации, требуется электрификация различных секторов конечного потребления энергии. В условиях доминирования VRE (фаза 6) необходимым становится преобразование электроэнергии в химические вещества (синтетические газы, например, метан и водород). Переход между фазами не происходит внезапно от одной к другой. Вопросы, относящиеся к гибкости, будут постепенно появляться на втором этапе, прежде чем стать отличительной чертой третьего этапа. В свою очередь, некоторые проблемы, связанные со стабильностью системы, могут стать очевидными уже на третьем этапе. Доля VRE во многих странах выросла за последние несколько лет 38 . В 2015 году насчитывалось чуть более 30 стран с ежегодной долей генерации VRE более 5%; к 2018 году это число возросло почти до 50 стран. Ожидается, что доли VRE во многих странах и / или регионах вырастут с 5-10% до 10-20% в течение следующих пяти лет (IEA, 2018) 12 37 Status of Power System Transformation. System integration and local grids. IEA, 2017. https://webstore.iea.org/status-of-power-system-transformation-2017 38 https://www.iea.org/reports/stus-of-power-system-transformation-2019 39 Рисунок 3.2.2 – Ежегодная доля VRE и соответствующая системная интеграция в отдельных странах / регионах, 2018 г. Поскольку число стран со средним и высоким долями переменных ВИЭ значительно возрастает, ожидается, что гибкость энергосистемы для них станет наиболее важной проблемой в ближайшие годы. Для решения проблем интеграции актуальным является рассмотрение ряда технических и экономических мер, дифференцированных по этапам развёртывания VRE, которые представлены на рис. 3.2.3 Рисунок 3.2.3 – Технологии и эксплуатационные практики для различных фаз развития VRE 40 Ветровая и солнечная энергетика может «безболезненно» интегрироваться в систему с помощью соответствующих стратегий интеграции, в том числе: 1) Оказание солнечными и ветровыми электростанциями системных услуг. Для этого необходимы соответствующие изменения в нормативной базе. 2) Развёртывание объектов ВИЭ генерации в тех районах, где они могут обеспечивать большую системную ценность (например, ближе к местам наивысшего спроса). 3) Диверсификация источников энергии – взаимное дополнение солнечной и ветровой генерации. Параллельное развитие гидроэнергетики ( пример Бразилии, которая развивает как ветроэнергетику, так и новые гидроресурсы). 4) Локальная интеграция с другими ресурсами. Речь идет о повышении доли собственного (локального) потребления энергии, производимой на месте, благодаря использованию комплекса (пакета) решений. Например, комбинация солнечных электростанций с накопителями энергии и использование механизмов по управлению спросом. Это снижает потребность в инвестициях в распределительные сети. 5) Оптимизация периода генерации. Конструкция ветровых и солнечных установок может быть оптимизирована для облегчения их интеграции в сеть. Например, использование больших лопастей на ветряной турбине с той же мощностью уменьшает интеграционные вызовы, поскольку они производят электричество с большей стабильностью. Детальное моделирование в рамках проекта МЭА показало, что такая конструкция производит электричество с более высокой ценностью для системы. 6) Комплексное планирование, мониторинг и контроль. Стоимость разных технологий генерации и производимая ими электроэнергия динамично меняются. Следовательно, оптимальная структура генерации также меняется со временем, что требует регулярной корректировки стратегий. Для обеспечения согласованной работы различных типов генерирующих источников, систем передачи и распределения энергии, систем управления спросом, накопителей энергии и других систем ключевое значение имеет интегральное планирование, которое в новых условиях должно включать в себя решение следующих актуальных вопросов: – учёт стохастичности выработки электроэнергии ветровыми и солнечными электростанциями; – управление со стороны спроса; – интегральное планирование системы генерации, передачи и распределения электроэнергии; – планирование и функционирование сетей низкого и среднего напряжения с учётом развития распределённой генерации; – межотраслевое планирование между электроэнергетикой и другими секторами, в том числе теплоснабжения, охлаждения, транспорта. Основные результаты определения ключевых проблем и актуальных вопросов возникающих в процессе трансформации энергетических систем при интеграции возобновляемых источников энергии сведены в таблицу 3.2.2. В таблице приведены трансформируемые элементы энергетической системы и ключевые проблемы требующие решений в условиях масштабного развития ВИЭ. 39,40. 39 https://nangs.org/analytics/irena-innovation-landscape-for-a-renewable-powered-future-february-2019-eng- pdf 40 https://www.eprussia.ru/epr/374/9315497.htm 41 Таблица 3.2.2 – Трансформируемые элементы энергетической системы и ключевые проблемы, требующие решений в условиях масштабного развития ВИЭ Передовые технологии Технологии накопления энергии, способные подстраховать разнообразные ВИЭ - ресурсы и участвовать в оказании различных услуг Технологии, которые способствуют электрификации иных отраслей, создавая таким образом новые рынки для ВИЭ - генерации, равно как и новые способы хранения избытка электроэнергии Цифровые технологии, которые позволяют внедрять новые приложения, направленные на расширение границ и динамики развития отрасли и поддержку оптимизации ВИЭ - ресурсов Новые и «интеллектуальные» сети, как малые локальные, так и более крупные, дополняющие друг друга и позволяющие использовать новые методы, чтобы контролировать разнообразные ВИЭ - ресурсы Модернизация имеющихся активов с целью их адаптации к новым условиям и нуждам ЭЭС Бизнес-модели Бизнес- модели, расширяющие возможности потребителей, переводя их из пассивных в активных участников рынка Инновационные схемы, которые обеспечивают выгодные условия для поставок электроэнергии, выработанной на базе ВИЭ, как в автономных энергорайонах, так и в районах, присоединенных к ЭЭС Структура рынка Новые правила работы оптовых рынков, которые обеспечивают гибкий механизм участия, более надежные ценовые сигналы и более правильное формирование платы за системные услуги Изменения в структуре нормативно-правовой базы розничного рынка, чтобы обеспечить гибкое участие и конечных потребителей, и потребителей-производителей (consumer / prosumer) Управление ЭЭС Внедрение распределенной генерации требует использования новых методов при управлении такой ЭЭС и облегчения условий участия такой генерации в рынке Новые требования к ОДУ, которые позволяют усилить гибкость ЭЭС Новые методы управления ЭЭС, которые позволяют не сокращать поставки от ВИЭ - ресурсов из-за сетевых ограничений, снижая необходимость усиления сети |