Силовой кабель соединил Германию и Норвегию

Схема прохождения кабельного соединения Nordlink по дну Северного моря. Схема Михаила Митина

Суть инфраструктурного проекта Nordlink – прокладка по дну Северного моря силового кабеля общей протяженностью 623 км – состоит в том, что эта подводная высоковольтная линия электропередачи постоянного тока мощностью 1400 МВт соединила ветряные и солнечные электростанции на севере Германии с норвежскими гидроэлектростанциями (ГЭС). Германия и Норвегия отныне будут совместно использовать возобновляемые источники энергии (ВИЭ), помогая друг другу на коммерческой основе выравнивать графики нагрузки своих энергосистем. Именно в этом состоит смысл его использования.

Это на сегодня самый длинный электрокабель в мире. Его мощность позволяет пользоваться электроэнергией более 3,6 млн домашних хозяйств. Прокладка кабеля началась в 2016 году, и после окончания строительства в декабре 2020 года начались его пробные испытания. В апреле текущего года кабель уже вступил в строй. Он позволяет передавать электроэнергию, произведенную на немецких ветряных и солнечных электростанциях, в Норвегию, а электроэнергию норвежских ГЭС – в Германию. Задача Nordlnk – внести вклад в решение ключевой проблемы ветряной и солнечной энергетики, которая состоит в высокой зависимости от погодных условий. Ветер дует и солнце светит далеко не всегда именно в тот момент, когда электроэнергия особенно востребована. В результате ветрогенераторы и солнечные панели не в состоянии удовлетворить подскочивший спрос, то работают впустую. Необходимы технологии, способные временно аккумулировать избытки зеленого электричества и тем самым выравнивать графики нагрузки энергосистемы. Иными словами, нужны накопители энергии.

Идея Nordlink состоит в том, чтобы фактически превратить в такие накопители норвежские гидроэлектростанции. Норвегия – крупнейший в Европе, наряду с Россией, производитель гидроэнергии, которая обеспечивает свыше 90% потребляемого в стране электричества и его экспортные поставки. Большинство ГЭС расположено на юге страны.

А на северо-западе Германии, где почти неустанно дуют ветры Атлантики, на суше и все чаще на море действует растущее число ветропарков, к тому же весьма широко используются солнечные батареи. Избыточная электроэнергия ВИЭ будет перебрасываться по Nordlink в Норвегию и там использоваться в местных сетях, что позволит гидроэлектростанциям останавливать турбины и накапливать воду в водохранилищах. В свою очередь, в периоды высокого спроса на северо-западе ФРГ норвежские ГЭС будут возвращать туда зеленую электроэнергию и при необходимости добавлять свою. По данным компании Tennet, новый подводный силовой кабель способен обеспечить снабжение свыше 3,6 млн домашних хозяйств. Это не решает полностью проблему выравнивания производства на установках ВИЭ в регионе, но это часть решения.

Новая бизнес-модель

Норвегия, крупный поставщик нефти и газа в Германию и другие страны Евросоюза (в который сама она не входит), благодаря этому проекту расширяет свои возможности для экспорта зеленого электричества в ЕС. Это, несомненно, облегчит ей постепенный отказ от добычи ископаемых энергоносителей на пути к климатической нейтральности.

Так, норвежская и нидерландская энергосистемы уже с 2008 года соединены подводным силовым кабелем NorNet, который проложили все те же компании Statnett и Tennet. Огромный опыт накоплен при эксплуатации подводной ЛЭП между Норвегией и Данией Cross-Skagerrak, вошедшей в строй еще в 1977 году. По суше можно поставлять электроэнергию в соседнюю Швецию, которая по дну Балтийского моря соединена с целым рядом других стран ЕС. К тому же еще в этом году ожидается завершение прокладки самого длинного в мире подводного силового кабеля North Sea Network Link протяженностью свыше 720 км, который соединит Норвегию с Англией и будет действовать по тому же принципу, что и новая ЛЭП с Германией.

На сооружение Nordlink потребовалось пять лет и около 2 млрд евро инвестиций. Зато теперь, по образному выражению журналистов, немецкие ВИЭ подключены к большой «аккумуляторной батарее», отмечает немецкое государственное информационное агентство Deutsche Welle (DW).

С точки зрения Меркель, соединение электросетей двух стран будет содействовать и стабилизации электротарифов. Впрочем, канцлерв своем выступлении на церемонии запуска сказала, что сам по себе Nordlink не решает стоящие перед Германией энергетические проблемы, и прежде всего сетевые. Поскольку, по ее словам, немцам необходимо побыстрее связать север Германии, где находятся основные объекты ВИЭ, с потребителями электроэнергии на юге.

Как решить проблему накопителей для ВИЭ

Ключевая проблема ветровой и солнечной энергетики состоит в необходимости ее аккумуляции на тот случай, когда ветер не дует и солнце не светит. Международное энергетическое агентство (МЭА) подготовило ряд документов на эту тему, которые были опубликованы на интернет-портале renen.ru. В них говорится, что увеличение доли генерации на основе ветра и солнца в структуре электроэнергетики многих стран и регионов ставит определенные вызовы перед управляющими энергетическим хозяйством. Спрашивается, каким образом возрастающая доля нестабильных потоков энергии может быть безопасно интегрирована в сеть с наименьшими потерями электроэнергии и без ущерба надежности системы?

Не сегодняшний день накоплено уже большое количество эмпирических данных, касающихся управления сетевым хозяйством в условиях высокой доли и даже доминирования ВИЭ.

В то же время, несмотря на обилие данных, обсуждение вопросов интеграции ВИЭ часто сопровождается «ложными, неправильными представлениями, мифами и даже дезинформацией», – указывает МЭА в своем руководстве «Поймать ветер и солнце в сеть», опубликованном в марте текущего года. В данном документе описываются решения, позволяющие оптимально интегрировать переменчивую генерацию на основе солнца и ветра в сетевое хозяйство.

Это не первый документ МЭА по данной теме. В 2014 году был опубликован 238-страничный доклад «Сила трансформации – ветер, солнце и экономика гибких энергетических систем», в котором дается ответ на вопросы: может ли энергетическая система оставаться надежной и экономически эффективной, если в ней высокая доля переменчивой генерации на основе ВИЭ? И если да, то как?

В 2016 году был представлен доклад «Следующее поколение ветровой и солнечной электроэнергетики». Пришедшее «следующее поколение» означает технологически зрелые и коммерчески конкурентоспособные технологии генерации на основе ВИЭ. Их все более широкое распространение создает вызовы для энергосистем, обусловленные нестабильностью выработки. И в работе рассматриваются ответы на данные вызовы с конкретными примерами ряда стран.

В докладе 2014 года обобщаются результаты проекта МЭА Grid Integration of VRE (VRE – variable renewable energy), проводившегося в ряде стран. Ключевые выводы исследования: интеграция малых объемов переменчивых ВИЭ в сеть не представляет собой большой проблемы. Под малыми объемами здесь понимается доля в 5–10%.

Однако при этом следует соблюдать некоторые правила. К ним относятся прежде всего недопущение неконтролируемых локальных концентраций ВИЭ (горячих точек). Кроме того, требуется обеспечить, чтобы ВИЭ электростанции могли «помочь» стабилизировать сеть, когда это понадобится. Необходимо прогнозировать производство электроэнергии на основе ВИЭ и использовать эти прогнозы для планирования работы других электростанций и потоков электроэнергии в сети.

Исследование в регионах проекта показало, что нынешний уровень гибкости энергосистем технически позволяет работать с годовой долей переменчивой генерации в 25–40%. В соответствии с тем же анализом «в очень гибких системах» доля ВИЭ может превысить 50-процентные уровни, если допускается возможность вынужденных остановок небольших объемов генерации на основе возобновляемых источников.

Интеграция больших объемов ВИЭ требует трансформации энергосистемы в целом. Другими словами, речь идет не о простом добавлении новых объектов генерации к старой, работающей как обычно системе, а о полном переформатировании системы. Расходы, связанные с этой трансформацией, зависят от разных обстоятельств. Очевидно, что если высокая доля ВИЭ добавляется единовременно (чего в общем-то не бывает), то системные издержки значительно возрастают. С другой стороны, при постепенном развитии (с учетом снижения стоимости технологий ВИЭ и, напротив, роста экологических сборов в будущем) возможен нулевой или даже отрицательный рост системных издержек.

Основной вывод этой публикации заключается в том, что крупные доли переменчивой возобновляемой энергии (до 45% годового объема генерации) могут быть интегрированы без существенного увеличения расходов в энергосистеме в долгосрочной перспективе.

В работе еще раз подчеркивается очевидное: интеграционные расходы, издержки системы, связанные с добавлением в нее нового источника, не относятся исключительно к переменчивым ВИЭ. Интегрировать в систему нужно любую электростанцию, а неопределенность в плане выработки присуща для любого объекта генерации (поломки, перебои с поставками топлива и т.д.).

МЭА приводит сводные данные из разных исследований о размере системных расходов, возникающих в связи с переменчивым характером генерации на основе ветра, так называемых расходов на выравнивание. Размер этих затрат варьируется от 1 до 7 долл. за мегаватт-час.

Кроме того, подход, в рамках которого «просто» осуществляются подсчеты интеграционных расходов, по мнению МЭА, не является грамотным. Правильнее работать с показателем ценности, то есть учитывать более широкий набор эффектов. МЭА прямо советует «избегать методологических недостатков расчета стоимости интеграции и вместо этого оценивать общую эффективность переменчивых ВИЭ на системном уровне».

Отдельная вставка в работе посвящена старому мифу, который называется «Для ВИЭ нужны резервные мощности». «Термин «резервирование» несколько вводит в заблуждение, – говорится в докладе. – Нахождение переменчивых ВИЭ в системе не означает, что нужно строить какие-либо дополнительные регулируемые (маневренные) мощности». Напротив, в той степени, в которой ВИЭ добавляют мощность в систему, снижается потребность в других энергетических мощностях (мощность ВИЭ в системе увеличивается с расширением географии электростанций и диверсификацией источников энергии).

«Системе в целом требуются достаточные мощность и энергия. При высоких долях переменчивой генерации на основе ВИЭ последние вносят сюда асимметричный вклад. В большей степени вклад энергии, чем мощности. Что нужно на уровне системы, так это не back-up для ВИЭ, а экономически эффективное решение для удовлетворения спроса на электроэнергию. В результате при высоких долях ВИЭ остальная часть электростанций должна в большей степени обеспечивать мощность, чем электроэнергию» (Next Generation Wind and Solar Power. From cost to value, 2016).

Данный доклад интересен прежде всего большим обзором практики интеграции возобновляемых источников энергии в энергосистемы разных стран, а также концепцией системной ценности разных технологий генерации.

В документе утверждается, что традиционный фокус на стоимости электроэнергии (LCOE) – измерении расходов конкретной технологии генерации на уровне электростанции – сегодня недостаточен.

Подходы «нового поколения» требуют учета системной ценности электроэнергии, производимой на основе ветра и солнца. То есть общей пользы, получаемой при добавлении в энергосистему солнечной или ветряной генерации. Эта системная ценность определяется сочетанием положительных и отрицательных факторов, включающих снижение стоимости топлива, сокращение выбросов двуокиси углерода и других загрязняющих веществ, или более высокие затраты на дополнительную сетевую инфраструктуру.

В настоящее время необходимо считаться с быстрым распространением солнечной и ветровой энергетики. Наступает «новое поколение» этих типов генерации – технологически совершенное и экономически эффективное.

С увеличением доли нестабильной генерации на основе солнца и ветра становится необходимым обстоятельный системный подход к трансформации энергетической системы.

Эта трансформация может быть разбита на три ключевых элемента:

– безболезненная для системы интеграция переменчивых ВИЭ;

– повышение гибкости системы посредством использования соответствующих гибких технологий (генерации, хранения энергии, управления спросом);

– усовершенствование технологий работы системы (например, повышение качества прогнозирования выработки на основе ВИЭ).

Ветряная и солнечная энергетика вполне может интегрироваться в систему с помощью соответствующих стратегий интеграции.

В частности, выделяются шесть важных направлений/принципов:

– оказание солнечными и ветровыми электростанциями системных услуг. Для этого необходимы соответствующие изменения в нормативной базе;

– развертывание объектов ВИЭ генерации в тех районах, где они могут обеспечивать большую системную ценность (например, ближе к местам наивысшего спроса);

– диверсификация источников энергии – взаимное дополнение солнечной и ветровой генерации. Параллельное развитие гидроэнергетики (приводится пример Бразилии, которая развивает как ветроэнергетику, так и новые гидроресурсы);

– 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;

– 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;

– 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.

Задачей современных регуляторов, по мнению МЭА, является создание таких рамочных условий и правил энергетического рынка, которые могли бы учитывать системную ценность проектов и отбирать их с учетом данного критерия. Так, более дорогой (с точки зрения LCOE) проект может быть предпочтительнее, если он обеспечивает высокую ценность для системы.

Поймать ветер и солнце в сеть

Посмотрим теперь на самую новую, опубликованную в марте 2017 года работу «Поймать ветер и солнце в сеть» (Getting Wind and Sun onto the Grid). Это руководство для сотрудников министерств энергетики и регуляторов энергетических рынков, как отмечает само МЭА.

В этом руководстве основное внимание уделяется задачам и вызовам интеграции ВИЭ. В нем представлены примеры, где и как они встречались и разрешались, и даются ясные рекомендации относительно того, как должны действовать новички в плане развития нестабильной генерации на основе возобновляемых источников.

В документе рассматриваются четыре стадии распространения переменчивых ВИЭ, каждая из которых имеет свои специфические характеристики.

На первом этапе интеграция переменчивых возобновляемых источников энергии не оказывает заметного влияния на сеть. Нестабильная генерация ветряных и солнечных электростанций «классифицируется» здесь просто как ежедневные и «естественные» изменения спроса на электроэнергию. К странам, которые в настоящее время находятся на этом этапе, относятся Индонезия, Южная Африка, Мексика, где доли солнца и ветра совокупно не превышают примерно 3% в годовом производстве электроэнергии.

На второй стадии ВИЭ уже начинают серьезно влиять на систему, но данное влияние регулируется относительно просто путем усовершенствования некоторых практических методов управления электроэнергетическим/сетевым хозяйством, например с помощью «умного» прогнозирования выработки солнечных и ветряных электростанций. На данной стадии находятся Чили, Китай, Бразилия, Индия, Новая Зеландия, Австралия, Нидерланды, Швеция, Австрия, Бельгия, в которых доля ВИЭ в годовой генерации составляет от 3 до почти 15%.

На третьем этапе возникают существенные вызовы для энергосистемы в плане интеграции нестабильных возобновляемых источников энергии. Их влияние ощущается как на уровне системы в целом, так и на практике работы других (традиционных) электростанций. Здесь на первое место выходит гибкость энергосистемы – ее способность реагировать на неопределенность и изменчивость баланса спроса и предложения. Два главных гибких ресурса этой стадии – управляемые (маневренные) электростанции и сеть, но уже начинает повышаться значение управления спросом и новых технологий накопления энергии. На нынешний день на данном этапе находятся Италия, Великобритания, Греция, Испания, Португалия и Германия, где доля «нестабильных» ВИЭ составляет от 15 до 25%.

На четвертой стадии находятся Ирландия и Дания с долей переменчивой ВИЭ генерации в 25–50% годовой выработки и с ее кратковременными повышениями до 100 и более процентов суточного потребления.