Ветер в проводах: угольную генерацию в США убивает газ, а не ВИЭ

В апреле министр энергетики США Рик Перри обратился к научному сообществу с просьбой оценить воздействие госполитики в области возобновляемой энергетики на угольную и атомную генерацию. Некоторых экспертов такая постановка вопроса смутила, ведь эта проблема уже была детально изучена как сетевыми операторами, так и специалистами самого Минэнерго. Другие же подошли к заданию творчески. Группа учёных Техасского университета в Остине изучила механизмы американского энергорынка на примере Техаса и представила свою версию ответа на запрос министра. Их мнение особенно любопытно, учитывая, что сам Рик Перри до своего назначения в администрацию Дональда Трампа был техасским губернатором.

 

Ветер в проводах: угольную генерацию в США убивает газ, а не ВИЭ

Источник: Warren Price Photography / Shutterstock.com

Неверный вопрос

К настоящему моменту написано бессчётное количество статей, почему угольная индустрия так плохо себя чувствует. Если совсем коротко: потому, что природного газа много и он дёшев. Американские угольные ТЭЦ стары и изношены. Энергопотребление в США практически не растёт, так что дешевле строить большие электростанции на новых видах топлива, чем восстанавливать старые.

Сама постановка вопроса о том, убивают ли «ветер» и «солнце» традиционные виды генерации, раскрывает устаревшее представление об энергетических рынках. Точно так же в конце 1990-х многие задавались вопросом, убьёт ли электронная почта традиционную. И тогда, и сейчас ответ однозначен: «Да, и слава Богу!» Как и 20 лет назад, потребители вновь выберут то, что дешевле, быстрее и меньше воздействует на окружающую среду. Даже анализ, проведённый Минэнерго США, подтверждает, что ветровая и солнечная генерация обладает преимуществом перед традиционной благодаря нулевой стоимости сырья и отсутствию вредных выбросов. К тому же использование ВИЭ в сочетании с другими современными технологиями не вредит стабильности энергосистемы, как бы на том ни настаивали критики.

Техасские пионеры

Учитывая, что в Техасе действует свой сетевой регулятор (ERCOT – Electricity Reliability Council of Texas), а мощность ветрогенераторов превышает этот показатель в остальных штатах страны, техасская энергосистема наглядно показывает, как ВИЭ влияет на энергосистему.

На конкурентных рынках, подобных ERCOT, компании, владеющие электростанциями, подают заявки на аукцион, обязуясь поставлять электричество в определённое время по определённой цене. Существует такое понятие, как «стопка заявок» (bid stack), буквально означающее всю совокупность заявок от энергокомпаний, сформированную в порядке изменения цены. Рынки используют «стопки заявок», чтобы убедиться, что электростанции с более дешёвым электричеством имеют преимущество перед теми, чьи цены выше.


На схеме показана «стопка заявок» на энергетическом рынке ERCOT. Каждые пять минут генерирующие компании автоматически выстраиваются справа налево в порядке возрастания предложенной ими цены. Спрос постоянно меняется в течение дня, так что финальную цену для всех электростанций устанавливает «маржинальный поставщик» (marginal generator) – генерирующая компания, выступившая с последней (за день) заявкой. Электростанции, расположившиеся справа от вертикальной чёрной черты, остаются «за бортом» аукциона. Инфографика Техасского университета в Остине: NG CC = электростанции комбинированного цикла на природном газе; NG Other = электростанции на природном газе, использующие бойлеры и газотурбинные установки.

Очевидно, что на цену электричества влияет стоимость сырья. Чем дешевле сырьё, тем меньше себестоимость производства на газовых электростанциях, тем проще им продвигаться в «стопке заявок», предлагая более выгодную цену.

Когда стоимость газа опускается до $3,5 за 1 млн БТУ (Британская термическая единица – количество тепла, необходимое для того, чтобы поднять температуру 1 фунта воды на 1 градус Фаренгейта) и ниже, он начинает вытеснять уголь с рынка. Этот процесс мы и наблюдаем сегодня.


На схеме изображена «стопка заявок» с фиксированной нагрузкой сети и снижающимися ценами на природный газ. В таких обстоятельствах угольные станции остаются не у дел (инфографика Техасского университета в Остине).

Как ВИЭ влияет на систему торгов электричеством? Вода, ветер и солнечный свет достаются нам бесплатно, а значит, предельные эксплуатационные расходы (marginal operational cost) электростанций на этих источниках энергии близки к нулю. Проще говоря, произвести 1 МВт энергии на ВЭС стоит столько же, сколько и 10 МВт. Это означает, что чем больше солнечных и ветровых электростанций вводится в строй, тем большее место они занимают в «стопке заявок».

ВИЭ буквально выталкивают с рынка атомные, угольные и даже газовые электростанции, так что некоторым из них уже не удаётся вернуться «в сеть» и сохранить рентабельность. Это прекрасная новость для потребителей (всех нас), ведь суммы в наших счетах за электроэнергию снижаются, но плохая новость для ряда генераторов (тех же угольных электростанций), чья продукция оказывается невостребованной, а доходы снижаются.


Возрастающая установленная мощность ВИЭ в «стопке заявок» смещает традиционную генерацию вправо. Учитывая, что возобновляемая энергетика обладает почти нулевыми предельными эксплуатационными затратами, она получает преимущество на торгах и в результате снижает рыночную цену на электричество (инфографика Техасского университета в Остине).

Итак, природный газ и ВИЭ влияют на угольную генерацию по-разному. Природный газ – прямой конкурент угля. Оба этих вида топлива годятся, чтобы оперативно «поддать жару», скажем, когда сетевому оператору нужно больше мощности. Такая конкуренция полезна для устойчивости сети. Но с падением цен на природный газ уголь становится менее конкурентоспособным, ведь эксплуатационные расходы на газовых ТЭЦ меньше.

Влияние ВИЭ носит несколько иной характер: ветер и солнце не работают по указанию диспетчера, так что мощность ВЭС и СЭС нельзя увеличить единовременно. Но всё же когда в Техасе ветрено и солнечно, альтернативные электростанции составляют острую конкуренцию традиционным.

Исследования Техасского университета в Остине показывают, что при установке значительных объёмов солнечной генерации общегодовые затраты на управление сетью в рамках ERCOT возрастут на $10 млн, а общегодовая оптовая стоимость электричества снизится на $900 млн. В результате ВИЭ вполне смогут конкурировать с традиционными источниками энергии. Но они не вытеснят уголь в той мере, как это делает дешёвый природный газ. Фактически, в рамках ERCOT, природный газ вытесняет в среднем вдвое больше угольной генерации, чем ВИЭ.

А что там с атомной генерацией?

Проблемы атомной отрасли главным образом заключаются в ней самой. Если коротко, суть в следующем: стоимость строительства АЭС крайне высока, так что сегодня в США не строят их в большом количестве, утрачивая необходимые для этого компетенции и инфраструктуру, что, в свою очередь, отражается на цене каждой отдельной АЭС. В общем, замкнутый круг.

В наши дни именно природный газ, уложивший на лопатки угольную отрасль, представляет основную угрозу для новых атомных электростанций. Построить новую газовую станцию комбинированного цикла примерно в шесть раз дешевле, чем новую АЭС. К тому же она будет вдвое эффективнее.

Отстоять стабильность

Ветроэнергетика зависит от погоды, и это обстоятельство заставляет сетевых операторов нервничать. Но технология ветровых прогнозов развивается стремительно, вселяя всё большую уверенность в потребителей энергии от ВЭС. Любопытно, что в Техасе требования к резервной мощности, необходимой для устойчивой работы сети в периоды безветрия, постепенно снижаются, в то время как сами объёмы ветровой генерации растут.

Так чем же было вызвано нарушение стабильности в техасской электросети? Тем, что наряду с бурным ростом ветроэнергетики произошли рыночные изменения в системе ERCOT. Пока Перри был губернатором, техасский энергетический рынок из медленного и неповоротливого стал быстрым и отлаженным. Его новая динамичная структура позволила включить в систему большие объёмы ветровой генерации. Это наглядный пример того, как продвинутые технологии помогают нам заново изобрести энергосистему, сделав её более дешёвой, чистой и устойчивой.


График показывает увеличение доли ветроэнергетики в ERCOT параллельно со снижением требований к резервной мощности. Это снижение стало возможным благодаря изменениям принципов функционирования рынка (инфографика Хауна Андраде, Уингханга Донга и Росса Балдика).

Сделано многое, но предстоит сделать ещё больше. Для этого нам понадобятся новые информационные технологии в сочетании с интегрированным в систему современным оборудованием. В Техасе 7,7 млн умных счётчиков. Мы подсчитали, что установка 7 млн управляемых термостатов для домохозяйств штата обошлась бы в $2 млрд. Летом около 50% пикового спроса на электроэнергию – примерно 30 ГВт – приходится на кондиционеры. Благодаря динамическому управлению нагрузкой энергосистемы с помощью термостатов мы можем снизить пиковый спрос на 10–15 ГВт. Это избавляет нас от необходимости тратить $10–15 млрд долларов на строительство генерирующих мощностей. Потратить $2 млрд, чтобы избежать траты в $15 млрд, – это хорошая сделка. Фактически, даже если раздавать термостаты бесплатно и даже приплачивать каждому домохозяйству по $700 «за беспокойство», это всё равно будет дешевле, чем строить новые электростанции.

Министр Перри поставил правильные вопросы. Благодаря урокам, выученным в пору его губернаторства, у нас уже есть на них ответы: несмотря на все опасения, включение ветровой и солнечной энергии в энергосистему – наряду с природным газом, «умными» рыночными решениями и интегрированными системами контроля нагрузки – сделает энергосистему чище, дешевле в эксплуатации и устойчивей.


31 мая 2017 в 10:00

ВИЭ, угольная генерация, АЭС

Другие пользователи читают

Солёное электричество

Проблема сохранения энергии является одной из ключевых для современной энергетики. Благодаря новым технологиям люди ...

11 августа 2017 в 16:25
Первая мини-АЭС может начать работу в США в 2026 году

Комиссия по атомной энергетике США начала процесс одобрения дизайна модульной атомной электростанции мощностью 600 МВт...

19 июля 2017 в 17:09
Подрывает ли развитие ВИЭ стабильность американской энергосистемы?

После апрельской встречи с главами энергетических ведомств Европы, Канады и Японии руководитель департамента энергетики...

04 августа 2017 в 12:05