Направления развития электроэнергетики Казахстана: ВИЭ

Возобновляемые источники энергии изменят наш мир

Рассмотрим применение ВИЭ в энергосистеме Казахстана, что они принесут нам сегодня и завтра.

ВИЭ с начала XXI века завоевали существенную нишу в мировой энер­гетике. На первых порах они воспри­нимались только как новое модное направление, однако ВИЭ быстро до­стигли периода зрелости и сегодня не только составляют конкуренцию традиционным источникам, но и во многом превосходят их, становясь предпочтительным способом энерго­снабжения потребителей.

Это объясняется не только тем, что в конкурентной экономической борьбе они с каждым новым годом становят­ся более дешёвыми. Они уже достигли паритета цен с традиционными источ­никами энергии и уже обошли их, и поэтому становятся всё более привле­кательными для потребителя.

Новые технологии, сопровожда­ющие интеграцию ВИЭ в энергоси­стему, открывают новые технические возможности использования их в энергосистеме и породили револю­цию в устоявшейся традиционной энергетике.

Всем известны существующие пла­ны развития ВИЭ в Казахстане, кото­рые уже определены государством. Эти планы, безусловно, должны быть реализованы и ВИЭ найдут достойное применение среди всех источников энергии, используемых в энергосисте­ме республики.

Остановимся на тех особенностях ВИЭ, которые не очень хорошо ощу­щают не только политики, но и про­фессионалы-энергетики и о их роли как для социума, так и для энергетиче­ской отрасли.

В начале развития ВИЭ все пре­красно понимали, что производство электроэнергии с помощью СЭС и ВЭУ исключает углеродные выбросы, поэтому их появление связано с ре­шением проблемы декарбонизации планеты в соответствии с Парижским соглашением.

В сентябре 2015 года главы 193 го­сударств, согласовали Цели в области устойчивого развития (ЦУР). Одним из важнейших индикаторов ЦУР явля­ется переход к технологиям в области чистой энергии, включая ВИЭ.

Казахстан, наряду с другими стра­нами СНГ, подписал и ратифицировал Парижское соглашение по климату, определил на национальном уровне планы развития ВИЭ и рассматривает масштабное освоение ВИЭ в качестве одной из мер ограничения выбросов парниковых газов.

На первых порах развития ВИЭ маститые энергетики, прекрасно зна­ющие энергосистему и условия суще­ствования режима в ней, боялись ВИЭ как чумы. Это объяснялось непосто­янством режима генерации от этих источников, наличием вариабельной генерации и необходимостью приоб­ретения накопителей, устанавливае­мых в энергосистеме для демпфиро­вания непостоянного режима работы ВИЭ. Профессионалы-энергетики по­нимали, что развитие ВИЭ приводит к тому, что приходится перестраивать энергетическую систему и структурно, и в управлении, и устанавливать ранее никогда не применявшиеся дополни­тельные специальные источники маневренных мощ­ностей в энергосистеме.

В начальном периоде не ощущалась роль накопителей и их функциональ­ные возможности, а тем более не очень понималось как существенные услож­нения в энергосистеме могут обеспе­чить надёжное электроснабжение.

На первых порах интеграции ВИЭ в энергосистему, высокая стоимость самих ВИЭ вынуждала любое госу­дарство с целью продвижения проек­тов ВИЭ и привлечения инвесторов субсидировать их развитие. На Запа­де система поддержки ВИЭ осущест­влялась на основании законов о воз­обновляемых источниках энергии и поэтому везде отличалась прозрачно­стью. Раньше единственной формой поддержки проектов ВИЭ являлись «зеленые тарифы». Они фиксирова­лись на 15-20 лет и, как правило, каж­дый год для новых объектов генера­ции зеленый тариф устанавливался ниже, чем в предыдущий. Сегодня практика зеленых тарифов уходит в прошлое и заменяется конкурсными аукционам, которые показали боль­шую эффективность.

Этот подход во всех странах приво­дил к увеличению тарифа во всей энер­госистеме

Отметим, что несмотря на выде­ляемые субсидии внедрение ВИЭ для государства было выгодным, так как создавало условия для развития эко­номики страны, появления новых заводов, увеличивало рабочие места и, естественно, увеличивало и посту­пление налогов. Тем самым государ­ство получает ещё и дополнительный эффект.

Для всех потребителей энергоси­стемы стоимость электроэнергии в странах с высокой долей ВИЭ, есте­ственно, повышалась. Причём она по­вышалась по двум причинам. С одной стороны, стоимость электроэнергии от самих ВИЭ повышается как за счёт вы­сокой стоимости самих ВИЭ, так и за счёт выделяемых для них субсидий, о чем мы уже говорили. Естественно, все эти дотации в дальнейшем переклады­вались на плечи потребителей (промыш­ленности и населения).

Во всех странах существующее законодательство, учитывающее ме­ханизм государственной поддержки, предусматривает приоритет в техни­ческой диспетчеризации электриче­ской энергии от ВИЭ по отношению других источников и гарантирует по­купку всего объёма энергии ВИЭ по фиксированному тарифу в течение 15 лет. В Казахстане покупателем энер­гии ВИЭ выступает расчетно-фи­нансовый центр (РФЦ) республики. Поэтому в первую очередь закупает­ся более дорогая электроэнергия от ВИЭ, а затем уже от традиционных электрических станций в соответ­ствии с потребностями спроса, как показано на Рис 8. ▼

Таким образом, энергия от возоб­новляемых источников на рынке вы­тесняет более дешёвую электроэнер­гию от традиционных источников. Это приводит к тому, что коэффициент ис­пользования установленной мощности (КИУМ) у традиционных электриче­ских станций уменьшается, приводя к увеличению стоимости электрической энергии на этих станциях. В тоже вре­мя модернизация и техническое пере­вооружение ВЭУ в развитых странах уже приводит к снижению средней об­щемировой стоимости ветровой энер­гии за счёт повышения КИУМ. Рост числа и мощностей СЭС и ВЭС приво­дит к тому, что КИУМ традиционные источники снижается, что приведёт к увеличению показателей нормирован­ной стоимости как для существующих, так и для новых традиционных элек­тростанций.

Таким образом, потребителю при­ходится оплачивать не только стои­мость самих ВИЭ и субсидии, выделя­емые для их развития, но и возросшую стоимость электроэнергии на тради­ционных электрических станциях.

Всё это приводило к тому, что стоимость электроэнергии в странах Европы с высокой долей ВИЭ, таких как Германия, Бельгия значительно возросла с начала применения ВИЭ достигнув 120-150 тенге за 1 кВт-ч. За­метим, что всё это будет продолжаться только до тех пор, пока не закончится гарантированный 15-20 летний срок фиксированных тарифов, установлен­ный для ВИЭ.

Социум, понимая экологическую привлекательность ВИЭ, тем не менее реально ощущал на себе возрастающее увеличение стоимости электроэнер­гии по мере увеличения интеграции ВИЭ в энергосистемы и поэтому не очень поддерживал их развитие. Так, например, в Германии в целях финан­сирования ВИЭ до сих пор существует целевой обязательный сбор, который потребители энергии ежегодно обяза­ны выплачивать на основании закона о ВИЭ Германии (EEG).

Тем не менее, нарастающее исполь­зование ВИЭ в мировой энергетике становится возможным благодаря зна­чительному техническому прогрессу, позволившему, прежде всего, суще­ственно снизить себестоимость произ­водства ветровых (ВЭС) и солнечных (СЭС) электростанций различных ти­пов.

На Рис. 9 ▲ приведено снижение издержек за последнее десятилетие для различных технологий производства электроэнергии.

Поэтому ВИЭ, которые ещё в начале этого века считались лишь модным на­правлением, сегодня становятся пред­почтительным способом энергоснабже­ния потребителей во всем мире.

Если вспомнить, что еще в 1950 году удельная стоимость фотоэлектри­ческих модулей, которые являются наиболее дорогостоящим элементом фотовольтажных систем составляла порядка 1000 $/Вт, а сейчас она стала почти в 50 раз дешевле, то становится очевидным роль технического прогрес­са в этой области.

Экономическая эффективность использования ВИЭ в 2018 году под­тверждается сравнением LCOEразлич­ных технологий производства электро­энергии, приведённых на Рис. 10 ▼

Из Рис. 10 видно, что показатель несубсидированной нормированной сто­имости ВЭУ и СЭС сегодня находится в диапазоне от $ 30 до 60 за 1 МВт-ч, что ниже диапазона цен не только на угольные электрические станции, но и самых дешёвых для классической энергетики парогазовые станции ($ 42­78 за 1 МВт-ч). За последнее десяти­летие стоимость солнечной энергии упала в США на 90 %. Таким образом, благодаря резкому снижению затрат за последнее десятилетие, уже сегодня средняя по миру себестоимость элек­троэнергии от солнечных и ветровых станций дешевле, чем любая из новых электростанций, работающих на иско­паемом топливе. Одновременно необ­ходимо отметить, что сетевого парите­та по эффективности удалось достичь не только крупным альтернативным электростанциям. Малые, географи­чески рассредоточенные солнечные панели, устанавливаемые на крышах зданий, стали близки к достижению паритета цены и производительности с централизованными энергосетями.

Однако последние данные на ос­новании доклада Lazardза 2020 год показывают, что LCOEбез учёта субсидий для ветровых электростан­ций стали ещё ниже и составляют $ 26-54, для солнечных фотоэлектри­ческих электростанций — $ 29-42, в то время как для парогазовых уста­новок — $ 44-73 за мегаватт-час. Это означает, что LCOEнекоторых проек­тов ветровой и солнечной энергетики сопоставима с предельными издерж­ками «традиционных» работающих электростанций, которые составля­ют для парогазовых установок $ 28, атомной энергетики — $ 29 и угольной генерации — $ 41 за мегаватт-час. В то же время Lazardотмечает, что темпы снижения затрат замедлились, за по­следние пять лет они составляли 11 % у солнечной энергетики и 5 % у назем­ной ветровой.

Кроме того, необходимо отметить, что не только цена на электроэнергию произведенных на крупных СЭС ста­ла ниже, чем у любых традиционных электрических станций. Технологии солнечной энергетики вначале поро­дили гелиотермальные системы тепло- нагревателей, на базе разнообразных типов солнечных коллекторов, распо­лагаемых на крыше домов для частно­го использования тепловой энергии. А в наше время уже фотогальванические батареи, расположенные на крышах домов, завоёвывают мир. По сравне­нию с наземными фотоэлектрически­ми электростанциями с пропускной способностью мегаваттного диапазо­на, PV-системы на крышах жилых зданий обычно имеют мощность от 5 до 20 кВт, а те, которые установлены на коммерческих зданиях, часто до­стигают 100 кВт или более. Техноло­гия устройства фотогальванических солнечных панелей на крышах зданий и сооружений настолько развилась за последнее десятилетие, что позволяет устанавливать такие системы практи­чески на любые типы крыш. Главное для успешной эксплуатации крышной солнечной электростанции — это до­статочная несущая способность кры­ши и отсутствие затенения.

В начале этого процесса потребите­ли самостоятельно размещали на кры­ше своих домов фотогальванические установки обычно небольшой мощ­ности для удовлетворения личных потребностей своего домовладения. В некоторых странах государство стало даже не только разрабатывать специ­альные программы, связанные с уста­новкой солнечных модулей на крыше домов, но и предоставлять финансо­вые льготы для этого. Так, напри­мер, только в период в 1986- 1992 го­дов в рамках большой программы по внедрению ФЭУ правительство Ин­дии на установку солнечных батарей в сельской местности затратило 690 млн рупий.

Правительство Японии в 1994 году выплатило компенсации хозяевам бо­лее 700 частных домов, в размере 50 % стоимости фотоэлектрических моду­лей, установленных на их крышах. А с начала 1997 года в стране начала осу­ществляться новая программа «10000 фотоэлектрических крыш». Эта про­грамма позволяет потребителю одну треть своих затрат оплатить за счёт государственных источников.

В 1999 году Германия приняла го­сударственную программу «100000 крыш». В ней предусматривалось кре­дитование по ставке на 4,5 % ниже рыночной СЭС небольшой мощности, соединенных с сетью. В 2010 году бо­лее четырех пятых из 9000 МВт сол­нечных фотоэлектрических систем, действующих в Германии, было уста­новлено на крышах домов.

Летом 1997 года президент США заявил о начале проведения государ­ственной программы использования фотоэлектричества. В соответствии с ней предусматривалась установка и использование около миллиона сол­нечных фотоэлектрических установок в городах США.

В 2000 году в Австралии была за­пущена программа, по которой пра­вительство предоставляет гранты на строительство солнечных электро­станций в размере 5,5 $ на 1 Вт уста­новленной мощности.

Государственная поддержка и вве­дение льгот способствовали тому, что частные фотоэлектрические системы также стали конкурентоспособными.

В Израиле в соответствии с зако­ном, требующим, чтобы каждый дом был снабжен солнечной водонагре­вательной установкой, установлено около 800000 солнечных коллекторов, которые обеспечивают 70 % населения страны горячей водой. А владельцы солнечных панелей освобождены от налога на прибыль и от НДС. К тому же, любой владелец квартиры сможет, заручившись согласием двух третей владельцев квартир, покрыть всю сво­бодную площадь крыши солнечными батареями. Кроме того, каждый владе­лец квартиры в доме совместного про­живания имеет право устанавливать на общей крыше небольшую солнеч­ную систему площадью до 4 квадрат­ных метров без необходимости согла­сия других владельцев.

В докладе, опубликованном в июне 2018 года Альянсом потребителей энергии (CEA), в котором анализи­ровались солнечные стимулы США, было показано, что сочетание феде­ральных, государственных и мест­ных стимулов наряду со снижением себестоимости установки систем PVпривело к большему использованию солнечной энергии на крыше по всей стране.

Затем потребители поняли, что им будет выгодно запасать солнеч­ную энергию в дневное время, чтобы потом после захода солнца использо­вать её для своих нужд. Так в домах появились первые аккумуляторные батареи небольшой мощности для хранения энергии. А когда было раз­решено потребителям запасенную энергию продавать энергосистеме, то это во всём мире привело не только к революционным изменения в самих энергосистемах — потребитель стал производителем, что в корне поменя­ло многолетний устоявшийся однона­правленный процесс передачи энер­гии, но и породило новую технологию коммерческих фотоэлектрических СЭС малой мощности. Более того ло­кальные частные потребители на кры­шах домов которых установлены фо­тогальванические модули, а в домах имеются различные накопители энер­гии на базе аккумуляторных батарей стали объединяться на платформе блокчейна (система позволяет поку­пать и продавать электроэнергию без посредников) и выступать для энерго­системы в качестве дополнительного небольшого источника мощности и энергии.

За счёт государственной поддерж­ки в 19 штатах США установка сол­нечных панелей с аккумуляторными батареями уже обходится дешевле, чем покупка электроэнергии у энер­госбытовой компании. Это вызывало бурный рост приобретения аккуму­ляторов и позволило 26 миллионам бытовых потребителей конкури­ровать с традиционной энергети­кой. Только за первый квартал 2018 года в США (в основном в Кали­форнии и на Гавайях) домовладельцы установили больше солнечных бата­рей, чем за три предыдущих года вме­сте взятых.

На Рис. 11 ▲ показан процесс раз­вертывания бытовых систем хране­ния энергии в США, МВт^ч.

Компании, занимающиеся уста­новкой таких панелей, всё чаще снаб­жают их аккумуляторными батарея­ми для хранения энергии. В 2016 году компания Sun Run предложила уста­навливать на Гавайях солнечный мо­дуль с батареей, что для потребителя обеспечивало цену на электроэнергию почти на 50 процентов дешевле, чем закупаемой у коммунальной компа­нии.

В 2017 году в Австралии порядка 40 % установленных домохозяйствами солнечных панелей имели аккумуля­торные батареи для хранения элек­троэнергии, а в Германии — 50 %.

С 2020 года установка фотоэлек­трических модулей на крышах всех новых жилых зданий, возводимых в штате Калифорния, стала обязатель­ной. Сегодня в США насчитывается три миллиона домохозяйств, на кры­шах которых есть солнечные панели, но потенциал намного выше, утвер­ждают в Министерстве энергетики США. С этой целью в 2021 году оно запустило программу «Солнечное лето 2021 года» которая автоматизи­рует проверку заявок на установку солнечных панелей и позволит значи­тельно упростить и ускорить получе­ние разрешения на установку солнеч­ных батарей на крыше. Разработанная программа SolarAPP+ сократила рас­смотрение разрешений на установку солнечных панелей примерно с 20 ра­бочих дней до нуля.

Обычно в США потребители уста­навливают солнечную батарею мощ­ностью 5 кВт и аккумуляторный блок Tesla мощностью 7 кВт^ч.

На Рис. 12 ▲ показаны штаты, в ко­торых установлены солнечные модули с батареями и процент клиентов каж­дого штата, которые могут самостоя­тельно генерировать более дешёвую электроэнергию за счёт установлен­ных солнечных модулей.

Анализы показывают, что в Аризо­не (США) в течение трёх ближайших лет потребитель электроэнергии смо­жет от 80 до 90 % своих потребностей в электроэнергии удовлетворять само­стоятельно с помощью солнечных ба­тарей и аккумуляторов и по более низ­кой цене, чем покупая электроэнергию у коммунальной компании.

В Австралии и Европе мощность частных и коммерческих фотоэлек­трических панелей, размещенных на крышах зданий, превышает мощность СЭС. Это даёт основания полагать, что после достижения сетевого пари­тета развитие рынка будет определять конкуренция между автономными распределенными солнечными пане­лями и централизованными СЭС с энергохранилищами. Таким образом, становится ясна экономика солнечной энергетики: уже очень дёшево, но бу­дет намного дешевле.

Предполагается, что намечающий­ся паритет цен на электроэнергию, полученную от солнечных модулей с аккумуляторами батареями и ценой на электроэнергию у коммунальной компании, может привести в США к тому, что в течение 10 лет потребители откажутся от их услуг.

В связи с этим в настоящее время электроэнергетика многих стран мира претерпевает значительные измене­ния с целью обеспечения всеобще­го доступа к недорогим, надёжным, устойчивым и современным источни­кам энергии для всех.

Высокая степень интеграции ВИЭ во всех энергосистемах мира при­вела к тому, что стоимость самих источников ВИЭ в мире значительно уменьшилась. Сегодня ВИЭ стано­вится экономически целесообразны­ми без всяких субсидий со стороны государства.

Тариф на технологию ВИЭ стал по­всеместно снижаться, так как все эти отрасли очень быстро развиваются технологически. Для всех типов ВИЭ постоянно снижается себестоимости киловатта. Так, например, в гидро­энергетике: гидротурбины сколько стоили несколько лет назад, столько примерно стоят и сейчас. А для всех традиционных источников, постоян­но увеличивается их стоимость. В то время как за последние 10 лет стои­мость киловатта, выработанного на солнечной энергии, например, снизи­лась почти в десять раз.

Кроме того, стоимость всех видов топлива для традиционных источни­ков энергии постоянно растёт. В то время как в общемировой практике внедрение СЭС приводит к «сглажи­ванию» тарифов в дневные часы, а внедрение ВЭС — в ночные.

Платежи потребителей за ВИЭ бу­дут постепенно сокращаться.

Уменьшение величина тарифа на электроэнергию от ВИЭ происходит после окончания периода окупаемости объекта ВИЭ (обычно 10-15 лет).

Это объясняется тем, что все за­траты на инвестиции оказываются возвращенными и банковское ярмо становится сброшенным, а расходов на топливо нет. Каждый год из системы поддержки будет выбывать всё больше электростанций на ВИЭ. После расчёта с инвесторами и окупаемости ВИЭ все эксплуатационные затраты становят­ся ничтожными по отношению к про­изведенной электроэнергии. Поэтому тариф на электроэнергию от ВИЭ уже стал снижаться, а со временем он сни­зится еще больше.

И самое главное в том, что тариф для таких источников генерации ста­новится намного ниже, чем для любых традиционных источников энергии. Это один из важнейших факторов, ко­торый дает огромное преимущество для развития ВИЭ.

Это происходит сегодня во всех странах мира с ВИЭ, где государство устанавливает стоимость электроэнер­гии в соответствии с её рыночной сто­имостью, а не регулируют её с учётом социального обеспечения. В Дании, имеющей самую высокую в мире долю энергии, получаемой от ВИЭ, цены на электроэнергию без учёта налогов и сборов, являются одними из самых низ­ких в Европе. В Германии, розничные цены на электроэнергию за последние 10 лет снизились более чем в два раза.

Кроме того, поскольку уже уста­новленные ВИЭ для производства электроэнергии не требуют никаких дополнительных затрат и имеют нуле­вые издержки на топливную составля­ющую, то они вытесняют более доро­гие традиционные источники энергии, что ведёт к снижению рыночных цен на электроэнергию.

Естественно, что технологическое развитие, связанное с интеграцией ВИЭ в энергосистемы, не останови­лось. Регулярно сообщается и о новых способах обуздания энергии солнца и ветра, и о повышении эффективности уже существующих. Это безусловно будет способствовать увеличению их производительности, ещё большей привлекательности ВИЭ и расшире­нию их использования в странах мира.

Кроме того, расширение использо­вания СЭС и ВЭС при недостаточном уровне долгосрочного прогнозирова­ния генерируемой ими электроэнергии ведет к временным (периодическим) избыткам электроэнергии в энергоси­стеме и, соответственно, снижает опто­вые цены на электричество.

Многие страны Западной Европы (Великобритания, Германия, Дания, Финляндия, Швеция) неоднократно за последние годы демонстрировали нам примеры отрицательных биржевых цен на электроэнергию. Так, например в 10.02.2020 года в Дании цены на элек­троэнергию упали до минус 2,68 €, а на­кануне Рождества средняя цена за элек­троэнергию составила минус 6,28 евро за мегаватт-час. В Великобритании от­рицательная цена была зафиксирована как минимум 15 раз. Обильные ветры и дожди привели к тому, что в Шве­ции цены на электричество опустились до рекордного месячного минимума — € 9,29. В Германии отрицательные цены на электроэнергию в октябре 2017 года составили минус 8,3 евро за МВт-ч.

Мне могут возразить, приведя обратный пример, когда в сентябре 2021 года, ввиду снижения производ­ства электроэнергии ветряными элек­тростанциями в Северном море, цены на электроэнергию в европейских стра­нах выросли до рекордных значений (в Великобритании цена за МВт-ч вырос­ла с начала августа почти в три раза, а с сентября 2020 года — почти в семь раз, составив 331 €, что является рекордом с 1999 года, а в Германии цена за мега­ватт-час за месяц выросла на 30 %, до почти 130 €), а цена на газ превысила 970 $ за 1 тысячу кубометров. Или дру­гое возражение, связанное с коллапсом энергосистемы, построенной на аль­тернативной генерации, что имело ме­сто в США в начале 2021 года, когда из- за аномальной зимы эффективность альтернативной энергетики оказалась практически равной нулю.

На это я могу привести и другие примеры.

ВИЭ помогают энергосистеме в слу­чае нехватки топлива (угля или газа) когда энергосистема подвергается су­ровым погодным испытаниям. Тогда ВИЭ помогают компенсировать пере­бои в работе энергосистемы. Например, Великобритания столкнулась с дефи­цитом природного газа из-за снежной бури в 2018 году, тогда ВЭУ обеспечи­ли рекордные показатели выработки. В США в 2014 году, в то время как груды угля смерзлись в результате полярного циклона, а в 2017 году груды угля намо­кли из-за урагана, в обоих случаях ВЭС превысили ожидаемые показатели про­изводительности.

Чтобы не прерываться, обсуждение этих вопросов проведем чуть ниже.

Сейчас ещё раз отметим, что расту­щая широкая интеграция ВИЭ в энер­госистему может повлиять на струк­туру оптовых цен на электроэнергию и обязательно приведет к снижению средних цен на рынке электроэнергии.

Специалисты из американской Lawrence Berkeley National Laboratory (подразделение Министерства энерге­тики США) провели масштабное ис­следование последствий воздействие переменной возобновляемой энергии на оптовые цены на электроэнергию. В этой работе они учитывали вли­яние «высоковариабельных» источни­ков (солнечной и ветровой генерации) на цену энергетического рынка США в различных регионах. С этой целью они моделировали разные сценарии инте­грации ВИЭ на 2030 год для системных операторов четырех регионов страны: CAISO (Калифорния), NYISO (Нью- Йорк), SPP (Юго-Запад) и ERCOT (Те­хас), отличающихся как различными эксплуатационными расходами (стои­мостью электроэнергии), так и типами генерации ВИЭ, так и разным уровнем наличия у них переменных ВИЭ.

Результаты моделирования, пока­заны на Рис. 13 ▼, где приведена за­висимость средневзвешенных цен на рынке электроэнергии по регионам $/МВт-ч от % доли переменных ВИЭ.

Из Рис. 13 видно весьма значи­тельное общее снижение среднего­довых почасовых оптовых цен на энергию на рынке во всех регионах и повышение волатильности цен по мере увеличения доли вариабельной энергии ветра и солнца по сравнению с базовым низким уровнем перемен­ных ВИЭ составляющим 4-21 %.

В отчёте отмечается, что если доля ВИЭ не превышает 40 % выра­ботки, то это позволяет только не­значительно сократить мощности традиционных электрических стан­ций. И только когда доля перемен­ных ВИЭ высока, то стохастическая выработка от большого количества источников, распределенных по ши­рокой территории, всё-таки обеспе­чивает выдачу некоторой «твердой» мощности, которая может заменить выбывающие объекты угольной и га­зовой генерации.

Это очень важный вывод, который объясняет причины энергетического коллапса в США в начале 2021 года и причины возрастания цен в Европе в сентябре 2021 года.

Поэтому, с учётом разработан­ных планов развития ВИЭ в Казах­стане, нельзя планировать вывод из эксплуатации существующих в республике традиционных электри­ческих станций по меньше мере до 2035 года.

Если же доля генерации на осно­ве солнца и ветра достигнет объёма примерно 40 % суммарной выработки системы, то это позволит сократить объёмы производства электростан­ций, работающих на ископаемом то­пливе на 25-50 % — в зависимости от региона.

В отчете отмечается, что высокая доля интеграции ВИЭ в энергосисте­му сопровождаемая более сильной волатильностью цен будет способ­ствовать внедрению высокоманеврен­ных технологий, включая накопители энергии.

На Рис. 14 ►показана динамика изменения себестоимости солнечной энергетики на оптовом рынке. Чётко прослеживается падение себестоимо­сти по мере увеличения установлен­ной мощности ВИЭ в энергосистеме. По данным Bloomberg, за последние девять лет стоимость электроэнер­гии, произведённой солнечными станциями, подешевела на 77 %, на­земными ветряными станциями — на 38 %.

Так как ситуация изменилась, то социум в тех странах, где это прои­зошло, начинает активно выступать в поддержку строительства ВИЭ даже взамен газотурбинных станций, как это имело место в Австралии и в Аме­рике.

В дальнейшем, как мы видим из прогноза перспектив развития разных источников энергии в мире (Рис. 2), степень интеграции ВИЭ в энергоси­стеме будет увеличиваться, что безус­ловно приведёт к ещё большему сни­жению стоимости электроэнергии, получаемой от этих источников.

Ориентир на развитие ВИЭ стал настолько высок, что Демократиче­ская партия США внесла на рассмо­трение план о переходе на ВИЭ и отказ от природного газа.

Теперь об энергосистеме с ВИЭ

Развитие ВИЭ принесло с собой и революцию в энергосистеме.

Если раньше передача электриче­ской энергии происходила только от генератора к потребителю, то с появ­лением ВИЭ сам потребитель может выполнять функции генератора.

За счёт этого, с одной стороны, усложнился режим работы. Он стал двух направленный, а с другой сторо­ны, у нас появилось много отдельных частей энергосистемы.

Родился ранее не известный про­цесс децентрализации энергосистемы.

Раньше была огромная энергоси­стемы, с единым центром управления, а сегодня появилось много отдельных частей.

Ну, например, системы Smart Grid или Microgrid — умные, автономные электрические сети, объединяющие несколько локальных потребителей и источников энергии.

Появились виртуальные электри­ческие станции с целью объединить распределенные ВИЭ и накопители в единую сеть не только для торгов­ли их мощностью, но также для по­мощи диспетчеру при стабилизации и управления этими источниками в сети, прогнозирования и оптимиза­ции их работы. Наличие виртуальных электрических станций позволяет с помощью цифровых решений снизить степень требуемого резервирования мощности, что исключительно важно для энергосистемы и также создает предпосылки для интеграции возоб­новляемых источников энергии на рынки.

Появилась система технологии блокчейна, которая позволяет объ­единить мелких производителей солнечной энергии (например, домо­хозяйства) и потребителей, которые могут покупать у них эту энергию без посредников. Технология блокчейн в энергетике применяется для совер­шения сделок купли-продажи между производителями и потребителями энергии. Европейские системные опе­раторы запустили «платформу гибко­сти» на основе блокчейн.

Она предназначена для интеграции небольших и распределенных потре­бительских активов, таких как элек­тромобили, домашние системы нако­пления энергии и тепловые насосы в процесс управления системным балан­сом. Она помогает справиться с пере­менчивостью погодозависимых ВИЭ.

Т.е. технология ВИЭ приводит к значительному изменению классиче­ских принципов передачи, распреде­ления и продажи электрической энер­гии в сетях.

Сегодня уже наяву виден не толь­ко ощутимый технический прогресс самих возобновляемых источников, но реально проявляются и иннова­ционные технологии привнесённые ВИЭ в энергетику вместе со своей интеграцией, которые в значитель­ной степени опережают устоявшиеся решения классической энергетики и придают новые возможности для развития умной энергосистемы бу­дущего. Эти факты, а также видимые пути устранения существовавших в первое время проблем связанных с их интеграцией в энергосистему уже снижают скептицизм профессио­нальных энергетиков в вопросе воз­можности их расширенного исполь­зования.

В наши дни ВИЭ является наибо­лее приоритетным сектором разви­тия энергетики, это стало мировой практикой

Несмотря на то, что традицион­ные электрические станции сегод­ня всё ещё выполняют все основные системные услуги, связанные с регу­лированием частоты, напряжения и балансированием мощности, однако и ВИЭ не остаются в стороне от это­го. Причём, как ожидается, ситуация может очень скоро измениться. ВИЭ вместе с собой принесли целый ряд дополнительных технологий, кото­рые сопровождают их интеграцию. Интеллектуальные сетевые инвер­торы и средства расширенного кон­троля позволяют ВЭУ и СЭС оказы­вать услуги на том же, а возможно, и более высоком уровне, чем прочие виды традиционных электростанций. Эти тех­нологии способствуют дальнейшему улучшению режима в энергосисте­ме и помогают диспетчеру, облегчая его работу за счёт того, что они са­мостоятельно и быстро по заданной программе, поддерживают режим в энергосистеме и повышают стабиль­ность функционирования даже при наличии возмущения, без вмеша­тельства диспетчера. ВИЭ уже сегод­ня помогают балансировать нагрузку в сети. В энергосистемах с ВИЭ и ум­ными преобразователями улучшился режим напряжения в сети, облегчи­лось управление, повысилась степень экономичности. Диспетчеры отдают приоритет ВИЭ.

Так, например, СЭС и ВЭУ осна­щённые интеллектуальными умными преобразователями наращивают вы­работку энергии и осуществляют ре­гулирование мощности значительно более быстрым и более эффективным способом, чем классическое регулиро­вание мощности на тепловой станции или даже на гидроэлектростанции. Солнеч­ные станции обеспечивают гораздо более высокую точность и скорость реагирования, чем любой другой источник энергии.

Несмотря на опасения, интеграция ВИЭ в энергосеть оказалась не такой сложной и дорогостоящей задачей, как представлялось ранее. Более того, ВИЭ снабженные умными преобразо­вателями показали свою способность предоставлении основных системных услуг не только при нормальных ре­жимах, но и участвуя в устранении аварийных режимов.

Во многих странах с высокой до­лей СЭС и ВЭС реже всего происходят отключения электроэнергии. Неза­планированные отключения электро­энергии составляют незначительную долю всех отключений на наземных и прибрежных ВЭУ. При этом для на­земных ВЭУ частота и длительность отключений, и время восстановле­ния системы меньше, чем для любых других установок. А на угольных и парогазовых электростанциях боль­шинство отключений носят незапла­нированный характер.

За счёт ВИЭ выросли надежность и устойчивость энергосистем. Как это ни покажется странным, но сегод­ня надежность энергосистемы в тех странах, где доля ВИЭ велика, оказы­вается более высокой, чем она была до интеграции ВИЭ. Например, штат Техас с большой выработки ветро­вой энергии, в Европе энергосистемы стран лидеров по интеграции ВИЭ — Германия и Дания оказались самыми надёжными в мире.

ВИЭ В Казахстане

На данном этапе развития, весь мир идет по пути смены парадигмы центра­лизованной энергетики, когда выработ­ка электроэнергии ведется на крупных электрических станциях, мощностью в несколько тысяч мегаватт, передается на сверхдальние расстояния потребителям, терпя потери в распределительных сетях. В частности, эта ситуация характерна для РК. Например, единственный энергоиз­быточный регион — это Павлодарская об­ласть, где производство электроэнергии ведется за счёт крупных угольных элек­тростанций, мощностью от 1000 МВт и выше. Далее, электроэнергия передается в энергодефицитную южную зону. Если отследить цепочку передачи от генера­ции до потребителя в данном примере, и представить, что это 1 000– 1500 км линий разного класса напряжения, то возника­ет вопрос надёжности системы.

Концепция децентрализованной системы становится привлекательной для Казахстана, учитывая его огромные пространства и удалённость на значи­тельное расстояние отдельных насе­ленных пунктов от источника питания. Многие частные дома и хозяйства могут производить энергию для собственных нужд и тут же её потреблять, без потерь в сетях, при этом избыток произведен­ной энергии передавать в сети и уча­ствовать на рынке электроэнергии. По­этому распределённая генерация малой мощности на базе ВИЭ несмотря на то, что республика полностью энергодо­статочна, для Казахстана актуальна.

Казахстан имеет потенциал для строительства новых объектов ВИЭ и их развития. Природно-климатиче­ские условия позволяют их реализо­вывать. Стоимость земли и стоимость рабочей силы в Казахстане значитель­но ниже, чем в Европе, поэтому не­достатка с инвесторами не будет. Это прекрасно для строительства мощных сетевых станций на базе ВИЭ.

Однако надо создать условия для местного населения, которое с поль­зой для себя и для республики может с успехом развивать крышные солнеч­ные станции. Именно поэтому и был широко приведён опыт использования ВИЭ в разных странах.

Создание стимулирующих нор­мативно-правовых норм позволит ре­спублике ощутить рост ВИЭ не за счёт инвесторов, а за счёт привлечения на­селения к развитию ВИЭ.

Продолжение следует …

Герман Геннадьевич ТРОФИМОВ
д. т. н., профессор, заслуженный энергетик СНГ и Республики Казахстан

• Направления развития электроэнергетики Казахстана: путь устранения дефицита мощности Южного региона

• Направления развития электроэнергетики Казахстана: Система накопления электрической энергии

• Направления развития электроэнергетики Казахстана: Атомная энергетика