Погодные риски в энергосистемах с возобновляемыми источниками энергии

Введение

В феврале 2021 года снежные бури и сильный мороз в США вывели из строя почти половину ветрогенераторов штата Техас, что привело к масштабному энергетическому кризису. Солнечные электростанции также на несколько дней резко сократили генерацию. Угольные электростанции и АЭС показали себя достаточно надёжно, но их выработка оказалась недостаточной для подобной экстремальной ситуации. Дефицит электроэнергии начали восполнять электростанции, работающие на природном газе, однако роста потребления электроэнергии превзошёл все имеющиеся резервы [2].

Техасский кризис превзошёл по масштабам сходный калифорнийский кризис предыдущего 2020 года, когда во время рекордной жары ветряные и солнечные электростанции не смогли справиться с возросшим спросом на электроэнергию, и система энергоснабжения штата Калифорния оказалась на грани коллапса [3].

Сейчас в Европе с высокими ценами на энергию переживают зиму 2021/2022. Контракты на электроэнергию осенью 2021 года поднимались до беспрецедентно высокого уровня из-за ограниченных поставок газа и угля, а также низкой выработки ветроэнергетики на фоне слабых ветров [4–6]. Цены на электроэнергию в странах Европейского союза только за третий квартал 2021 года выросли примерно в два раза, в том числе в Германии и Франции (крупнейших экономиках ЕС) с €73–74 до €140–170 за 1 МВт·ч (рис. 1).

Рис. 1. Динамика оптовых цен на электроэнергию в странах ЕС за 2020–2021 годы [7]

По мере выхода экономики Европы из коронавирусного кризиса регионы ЕС столкнулись с резким скачком цен на энергоносители, что явилось неизбежным результатом роста спроса при одновременном сокращении предложения. Увы, данный основополагающий закон рыночной экономики безотказно срабатывает и особенно явно проявляет себя при аномальных погодных ситуациях.

Во многих странах, включая Великобританию, Францию и Испанию, правительства поспешили принять чрезвычайные меры для защиты потребителей, включая ограничение тарифов и прямое дотирование спроса домохозяйств на электрическую энергию.

Энергетический кризис в Техасе

Кризис электроснабжения в Техасе в феврале 2021 года оказался важным прецедентом. После наступления рекордных холодов в Техасе 14 февраля спрос на электроэнергию начал расти, а предложение стало падать из-за остановившихся ветровых турбин и перебоев в поставках природного газа по трубопроводам. Это привело к широкомасштабным веерным отключениям электричества на следующий же день — 15 февраля. Последующие «волны холода» и расхождение баланса спроса и предложения ухудшили ситуацию, так что 5 млн потребителей в Техасе (27%) временно остались без электричества со снижением на 16,3 ГВт пиковой мощности в энергосистеме штата. Генерирующие мощности в размере 46 ГВт были отключены от сети уже 17 февраля, включая 28 ГВт генерации на ископаемом топливе и 18 ГВт солнечных и ветровых источников. Изменение баланса спроса и предложения повысило оптовые рыночные цены выше $9 за 1 кВт·ч.

С ослаблением холодов ситуация стала выправляться. Совет по надёжности электроснабжения Техаса (Electric Reliability Council of Texas, ERCOT) — регулятор, контролирующий более 90% сетей штата, — 19 февраля объявил о восстановлении нормального электроснабжения. Значительные перебои поставок электроэнергии потребителям, отключения генерирующих мощностей в системе и взлёт цен оказались реальностью, как элементы энергетического кризиса, случившегося в значительной части США. Кризис затронул всех потребителей и все сектора экономики штата и имел значительные социально-экономические последствия для Техаса, но также явился уроком для всего человечества в мировом масштабе.

Случившееся в Техасе вызвало активную дискуссию о причинах энергетического кризиса. Официальные отчёты указывают на сильную зависимость энергосистемы штата от основных источников энергии — ветровых турбин и природного газа. Первые просто замёрзли, а трубопроводные поставки второго оказались недостаточными. Вновь возник аргумент о нестабильности и ненадёжности возобновляемых источников энергии, в то время как на них делается главная ставка при достижении цели «нулевых выбросов» в электроэнергетике США к 2035 году и общей углеродной нейтральности экономики страны к 2050 году.

Генерация электричества за счёт сжигания природного газа является наиболее значительным компонентом электроэнергетики Техаса, и она снизилась при наступлении волн холода, причём газ в основном поставлялся для отопления домов. Перебои в поставках электроэнергии были вызваны прежде всего зависимостью от специфических источников энергии.

Также мало внимания уделялось мерам против волн холода на всех объектах генерации штата. Фактически из-за этих погодных явлений снизились поставки не только с ветровых и газовых электрогенераторов, но и с угольных и атомных электростанций, но наибольший эффект наблюдался именно на ветровых и газовых станциях.

Среди ядерных энергоблоков блок №1 АЭС South Texas был остановлен 15 февраля из-за выхода из строя внешних измерительных приборов. После проверки и ремонта он был включён 17 февраля и начал нормально функционировать лишь 19 февраля. Три другие атомные электростанции в Техасе (Allens Creek, Comanche Peak и Victoria County Station) работали штатно. Таким образом, меры защиты от волн холода являются необходимым компонентом стабильной электрогенерации для всех источников энергии.

Техас не внедрил соответствующие меры по противодействию волнам холода, хотя ещё в феврале 2011 года, когда также произошли веерные отключения (они составили 4 ГВт мощности), американская Федеральная регулирующая комиссия по энергетике (FERC) заявила о недостаточной готовности предприятий ветрои газогенерации штата к волнам холода. После полноценного энергетического кризиса в феврале 2021 года наверняка будут предприняты серьёзные контролирующие меры. Также федеральное и местное законодательство не обязывает операторов энергосети Техаса поддерживать резервный запас электричества, и это стало ещё одной проблемой, так как штату не удалось докупить недостающую электроэнергию у соседей.

Предлагаются следующие меры, которые позволят избежать подобных коллапсов энергосети в будущем [3]:

• утепление энергогенерирующего оборудования;
• обязывание операторов электрической сети поддерживать резервный запас электричества;
• модернизация внутренних и внешних коммуникаций электрической сети Техаса;
• увеличение мощностей солнечных электростанций,
• создание мощностей по хранению вырабатываемой электроэнергии;
• увеличение мощностей газовых электростанций.

Необходимые и достаточные меры против воздействия холода — это самая неотложная задача для энергетического сектора штата Техас. Из этого кризиса можно извлечь несколько уроков в области безопасности снабжения электроэнергией. Во-первых, важным пунктом является поддержание достаточной мощности в сети, включая наличие резервной мощности, которая должна быть в состоянии реагировать на изменения спроса.

С другой стороны, также исключительно важны меры по регулированию и управлению спросом на электроэнергию. В общем, цель состоит в поддержании оптимального баланса спроса и предложения. В конкурентных рыночных условиях, при наличии постоянной необходимости снижения издержек, весьма непросто поддерживать достаточную основную и резервную мощности. Задача усложняется при распространении использования возобновляемых источников энергии, которые в настоящее время уже снижают оптовые цены [8]. Для создания резервных мощностей требуются дополнительные издержки, но, судя по всему, это неизбежно, поскольку значительно увеличит надёжность энергосистемы штата.

При энергетическом кризисе в Техасе отключения и спады мощности были вызваны ограничением в том числе в поставках газа на газогенерирующие электростанции как основной источник электричества. Это вызвало снижение генерации электроэнергии при наличии установленной мощности. Погодные условия могут стать главным лимитирующим фактором в цепочках поставок природного газа, как топлива для электростанций.

Таким образом, выявляется ключевая роль гибкости и надёжности цепочек поставок в энергетическом секторе. Диверсификация поставщиков топлива также имеет важное значение. Данные меры требуют дополнительных инвестиций и приводят к увеличению операционных издержек, но страховка от кризиса требует их реализации. Особая задача состоит в оптимизации энергетического баланса по структуре (долям) различных энергетических источников.

Основными особенностями энергетического кризиса в Техасе 2021 года являются снижение поставок топлива (природный газ) для электростанций, падение генерации на возобновляемых источниках энергии (прежде всего, ВЭС), вызванное волной холода, сопровождаемое техническими проблемами на угольных и атомных электростанциях, недостаточные по мощности линии электропередач с соседними штатами США, вынужденные меры по регулированию/ограничению спроса на электроэнергию со стороны потребителей.

В феврале 2021 года цена электроэнергии в Техасе на фоне энергокризиса поднялась до предельно допустимых $9000 за 1 МВт·ч. После этих событий регулятор ERCOT опустил предельно допустимую оптовую цену электроэнергии до $2000 за 1 МВт·ч.

Внештатная ситуация повторилась 13 апреля 2021 года. Из-за крайне неудачного стечения обстоятельств оптовая цена электроэнергии в некоторых частях Техаса взлетела в 100 раз до $2012 за 1 МВт·ч (более 140 руб. за 1 кВт·ч при курсе 70 руб. за $1), через четыре часа цены опустились до $222 за 1 МВт·ч. Дело в том, что около четверти электростанций штата находились на техобслуживании, как плановом, так и вынужденном после февральских морозов, а ожидавшееся в середине апреля потепление не привело к падению потребления электроэнергии, так как в районе городов Сан-Антонио и Хьюстон задержалась холодная погода. Дополнительно к этому регулятор ERCOT некорректно спрогнозировал объём генерации электричества на солнечных и ветровых электростанциях. В итоге спрос на электроэнергию в штате вопреки прогнозам остался высоким, холодная погода привела к росту потребления, а предложение снизилось. В результате этих событий ERCOT призвала жителей Техаса к экономии электроэнергии.

Погодные аномалии в Европе

С погодными проблемами столкнулись и в Германии. В конце января 2021 года бóльшую часть страны накрыли снегопады, которые засыпали солнечные панели (их установленная мощность в стране составляет 54 ГВт), а безветренная погода «убрала» из сети до 70% от 62 ГВт установленной мощности ветрогенераторов. Из-за этого доля «зелёной» электроэнергии в общем объёме генерации в Германии опустилась до 0–3% [9,10].

В начале осени 2021 года на северо-западе Европы воздух был неподвижен, что уменьшило выработку ветровой энергии. Например, в Германии в течение первых двух недель сентября 2021 года выработка электроэнергии ветром была на 50% ниже среднего показателя за пять лет [11]. Усиление ветра 5 октября 2021 года привело к тому, что почасовые цены на электроэнергию упали ниже нуля по всей Европе, демонстрируя, что возобновляемая генерация также может иметь «право голоса» в установлении зимних цен на электричество. Почасовая цена колебалась от €2 до €153 в тот же день, в зависимости от скорости ветра в регионе.

В сентябре 2021 года цены на электроэнергию на немецком рынке «на сутки вперёд» в среднем были самыми высокими по крайней мере за 20 лет, контракт на ноябрь торговался на уровне €217 за 1 МВт·ч. Резкий рост цен на газ, уголь и квоты на выбросы углерода привели к удорожанию производства электроэнергии в национальном парке электростанций, работающих на ископаемом топливе. Цены на квоты на выброс углерода достигали €60 за тонну CO₂.

Высокие цены на энергоносители также оказывают более масштабное воздействие на экономику. Европейский центральный банк (ЕЦБ) прогнозирует инфляцию на 2022 год на уровне 3,2%, причём две трети этого прироста приходится на скачок цен на энергоносители [12].

В начале 2022 года Франция приостановила около трети своих ядерных мощностей. Обычно страна экспортирует электроэнергию в пиковые периоды, но теперь ей придётся импортировать её, что приведёт к повсеместному росту цен. Кроме того, пандемия COVID-19 нарушила процесс техобслуживания. Если экспорт российского газа останется на сегодняшнем уровне, в конце марта европейские хранилища будут заполнены менее чем на 15% — самый низкий показатель за всю историю наблюдений, и это при условии нормальных погодных условий. Почти весь сжиженный природный газ (СПГ) идёт в Азию, поэтому европейским покупателям почти ничего не достаётся. В 2021 году импорт газа в Европу был на 20% ниже, чем в 2020-м. Добыча газа также сократилась в Британии и Нидерландах.

Выводы

1. В случае похолодания или аномальной жары веерные отключения электричества и резкие ценовые колебания являются неизбежными.

2. Погодные условия могут стать главным лимитирующим фактором в цепочках поставок природного газа, как топлива для электростанций.

3. Выявлена ключевая роль гибкости и надёжности цепочек поставок в энергетическом секторе, а также диверсификации поставщиков топлива. Всё это требует дополнительных инвестиций и приводит к увеличению операционных издержек.

4. Особая задача состоит в оптимизации энергетического баланса по структуре (долям) различных энергетических источников.

5. Электрогенерация на возобновляемых источниках энергии напрямую зависит от погодных условий и может служить фактором неустойчивости в энергосистемах с высокой долей ВИЭ.

6. Необходимо создание мощностей, аккумулирующих вырабатываемую в энергосистемах электроэнергию.

7. Природный газ — премиальное топливо при энергетическом переходе, который планируется осуществить в мире за 2020–2050 годы.