очередное эммигрантское г.) (solar_front) wrote in engineering_ru,
очередное эммигрантское г.)
solar_front
engineering_ru

Немецкий каприз.

Более обширный оригинал здесьздесь.

С недавних пор я слышу об энергетике где возобновляемый сектор постоянно увеличивается и в конце становится 100%. И слышу об этом всё чаще. Что это? Навязчивая идея евробюрократов или естественное развитие всей нашей цивилизации?
Существует например европейская программа по снижению выбросов СО2 на 80% от уровня 1990 года к 2050 году.

Для понимания мотивации немцев в этом вопросе картинка из Photon 10-2012:
p32
вверху: как было раньше (без учета атомной энергетики) - для получения 460 ТВт*ч  необходимо сжечь невозобновляемых ресурсов на 1400 ТВт*ч. КПД 33%. Отходы - это тепло и СО2 по большей части.
внизу: 25% энергии получаем по большей части ветром. Обратите внимание как снизились выбросы тепла и СО2.



Не стоит забывать, что европа импортирует 52% энергии для своих потребностей (источник)
. И импортирует у:

Bild2

Достигнутые европой с 1990 по 2009 показатели очень слабого роста энергопотребления позволили за этот период сильно сократить сжигание угля (-41%) и на 116% поднять производство эл. энергии при помощи PV, ветрогенерирование выросло на 41% (источник).

Bild7

Вот данные по всему евросоюзу кто и как делает энергококтель:
Bild4

(желтым: атом; синим: нефть; красным: газ; черным: уголь и зеленым: возобновляемое)

И как это потребляется? (источник).
Bild5


Но вернемся в Германию. Есть несколько возможностей по преодолению "импульсивности" генерирования энергии солнцем и ветром. Например, всерьез обсуждается идея по отложенному во времени запуску. Это когда какой нибудь  энергоемкий производственный процесс откладывается до момента когда сеть не перегружена. Например холодильные установки, электролиз.
Существует идея смарт-энергосистемы, которая сама бы организовывалась в соответствии с энергопотребностями.
Другой вариант это строительство систем для аккумулирования эл. энергии. Для примера: если нужно обеспечить всю Германию эл.энергией просто из расчета на годовое потребление то потребуется "всего" 250 ГВт мощности ветряков (с аккумуляторами !). Ветра в Германии для этого хватит :). Но тогда возникает проблема колебаний выработки электроэнергии и дней когда ветра нет. Следовательно нужны энергобанки. Но энергобанки тоже имеют КПД.

Технологии аккумулирования эл.энергии существуют давно. И потребность в них будет. В настоящий момент идут исследования в различных областях. Существует несколько вариантов:
1) наливные водохранилища (расходы 4-11 центов / кВт*ч)
2) сжатый воздух и водород (> 25 центов / кВт*ч)
3) Можно хранить водород в газовой сети (электролиз, хранение согласно DVGW до 5% в газовой системе; проблемы: точность измерения, коррозия)
4) "Электро-газ" технологии: высокие капитальные вложения, КПД: гидролиз.30%, 44% метанирования;
Прогноз: гидролиза 54-77%, 49-65% метанирование.

таком образом: электро-газ-электро оценка КПД в будущем: общую эффективность 40%.
(источник)


Систему электро-газ можно видеть на картинке:

p40
(при помощи электролиза получаем водород, кислород и тепло. Кислород и тепло идут в продажу. Водород  и собранный из воздуха CO2 образуют в каталической реакции метан. Метан поступает в газорастпределительную систему Германии. Общий КПД 40%. КПД электролиза от 75 %.)

Сегодня Германия, благодаря резервуарам, может запасаться газом более чем на 200 ТВт*ч. С точки зрения затрат, наилучшим вариантом было бы использовать систему аккумулирования энергии как можно реже. Но это невозможно. В условиях Германии нет смысла говорить о гидроаккумуляторующих электростанций (наоивные водохранилища): ее доля и так мала, но даже повышение этой доли слишком амбициозная задача и почти невозможная географически.

Итак, Photon  разработал модель, в которой потребности Германии в 460 ТВт*ч обслуживаются только ветряными и солнечными станциями. В модели учтено/не учтено:
1) нет гидроэлектростанций.
2) нет сильного увеличения энергопотребления.
3) нет увеличения КПД солнечных и ветряных преобразователей.
4) предполагается что пики выработки эл.энергии солнечными преобразователями будут сглажены бОльшим количествтом модулей ориентированных на восток-запад .
5) Система аккумулирования эл. энергии больше децентрализована.
Минимальная нагрузка на сеть: 28.3 ГВт, максимальная: 73 ГВт. Предполагается, что до 2030 года будет установлено ветрогенераторов на 232 ГВт, солнечных на 119 ГВт. Хотя общая производительность теоретически 350 ГВт, она никогда не превысит уровня реальной выработки в 218 ГВт. Оптимальное соотношение ветро и солнце-генераторов 75% к 25%. Даже при пиковых нагрузках это означает, что потребление будет не больше 70 ГВт.

100% на возобновляемой энергии (год 2030):
p34
(Photon 10-2012: Метанифицирование как аккумулирование эл.энергии. Запасание в гидроаккумуляторующих электростанциях воды: 3 ТВт*ч, на обслуживание всей системы нужно 66 ТВт*ч, 100 ТВт*ч энергии в виде тепла )


Если существует идеальный и неограниченный аккумулятор эл. энергии в масштабах Германии:

Эксперты предположили: что если мы имеем идеальный и неограниченный аккумулятор эл. энергии в масштабах Германии, то какой идеальной пропорцией ветер/солнце должна обладать такая энергетика? Очевидно, что наибольшей емкостью должен обладать аккумулятор в случаях, если энергетика только ветряная или только солнечная. Не надо забывать, что сезон, когда солнечная панель работает с максимальной эффективностью, потребление эл. энергии падает (213 ТВт*ч с апреля по сентябрь и 246 ТВт*ч с октября по март). Наилучшим соотношение для Германии было признано 75% ветра на 25% солнца.

При таком соотношении ожидаются довольно большие колебания в производстве эл. энергии. В этом случае разница между производством и прямым потреблением будет около 70% уровня. Это означает, что около 30% эл. энергии необходимо будет аккумулировать. В этом случае около 114 ТВт будут направлены в систему аккумулирования.

Разумеется аккумулятор имеет и потери и ограничен в пропускной способности. В случае, если пропускная способность такого аккумулятора минимальна, реальные потери уже существующих систем были взяты за основу.
На схеме вверху присутствуют мощности гидроаккумуляторующих электростанций (pumped storage hydro power station). Они расчитаны на 194 цикла в год, общая мощность 9.7 ТВт*ч, потери 3 ТВт*ч.

p36
(модель для 330 ГВт ветро и 170 ГВт солнечной генерации на август. Мощности электро-газ аккумуляторов (ЭГА) около 67 ГВт. Верхняя часть рисунка показывает, что такая конфигурация лишь изредка не справляется с пиковыми мощностями. Рисунок внизу показывает переключение ЭГА с режимов запаса на расход. ЭГА КПД 65%.)

p44
(помесячное распределение производства и потребления.  Светло-коричневым: ветер; темно-коричневым: солнце; линия: потребление.)


Чтобы запасать всю энергию  от ветро- и солнцегенерации потребуются ЭГА с объемом 166 ГВт, но если мы сократим их до 80 ГВт, потери будут всего лишь 1.5%; для 40 ГВТ количество, не сохраненной эл.энергии, увеличится до 7 %. Если мы согласны с потерями в 10% ,то 30 ГВт мощностей ЭГА достаточно. Т.е. это меньше 10% всех энергопроизводящих мощностей (350 ГВт).

Теперь о стоимости ЭГА. Сегодня 1 кВт ЭГА стоит  1.5 к€. При производстве мультигигаваттного количества  ЭГА можно снизить цену до 0.5 к€.
 Если считать 1 к€ за кВт, то выходит сумма около 30 млрд.€. Для 67 ГВт мощностей (на рисунке вверху) портребуется около 50-60 млрд.€.

В настоящий момент в Германии уже есть 20 ГВт ЭГА, и к 2020 планируется довести эту цифру до 30 ГВт. Но чтобы достигнуть 67 ГВт к 2030 году необходимо вводить 4 ГВт ЭГА ежегодно (сегодня 2 ГВт). Даже без учета того, что производимые ЭГА тепло и кислород будут продаваться, цена "скалдирования" кВт*ч будет около 1 евроцента.

Такой симбиоз электро и газ систем дает новые возможности. Избыточная электроэнергия переводится в газ, и газовая система "поглощает" пики электропроизводства. Тем не менее в настоящий момент основные монополисты - поставщики электроэнергии запрещают запасание при помощи ЭГА. Но если будет получено разрешение на использование ЭГА, линии электропередач можно будет переименовывать в линии балансирования сети.

Вырабатываемое тепло от ЭГА в 60 ТВт*ч тоже позволят сократить потребление газа на 16 млрд. м3. Это около 20% потребления газа в Германии.

Кроме того немецкие камрады моделировали ситуацию, когда количество мощностей, позволяющих сохранять энергию в короткие сроки (8 часов), увеличено более чем в 10 раз (с 6.7 ГВт первоначальных до 100 ГВт). Эффект оказался негативным:  стоимость таких аккумуляторов перекрывает экономию на солнце+ветер генераторах.

Важен вывод: нельзя современную энергосистему рассматривать изолированно. Это связка: электро, тепло и газо систем. "Потери" в электросистеме часто означают "источник" в теплосистеме, как это может быть с теплом в 60 ТВт*ч от ЭГА.

Возможно ли достичь к 2030 году уровня когда ветрогенерирующие мощности будут 232 ГВт, а солнечные 119 ГВт?

Если темп роста фотовольтаики, который был последние годы (без субсидирования) сохранится, то да, в 2030 году PV будет 170 ГВт. С ветрогенераторами темпы недостаточные. Сегодня они растут со скоростью 2 ГВт, а надо 17 ГВт. Если на рынке доля более высоких ветряков будет расти, а их время работы будет на 50% выше, то таких мощностей необходимо будет в год 8 ГВт. И тем не менее, как было сказано выше, соотношение солнце/ветер генерирование может быть смещено в сторону солнца за счет увеличения размера энерго банков.

Важное дополнение: при условии, что PV системы будут работать 30 лет количество переустанавливаемых модулей достигнет 5.7 ГВт, для ветрогенераторов 11.6 ГВт потребуют ремонта при условии наработки на отказ в 20 лет.

Затраты.

Предполагается, что в 2030 году ветроватт будет стоить 8 евросентов, солнечный ватт 6 евроцентов. ЭГА будут покупать эл.энергию "на пиках" по бросовым ценам. Photon  отталкивался от цены для конечного потребителя (460 ТВт*ч). Вышло следующее: покупается за 7.3 евроцента, продается за 10.4. Если учесть инфляцию в 2 %, то 10.4 евроцента в  2030 сравнимы с 7.4 евроцентами сегодня. Сегодня для конечного потребителя эл. энергия обходится в 15...24 евроцента (Германия).

Затраты на смену инфраструктуры в Германии потребуют значительных инвестиций в новую инфраструктуру. Около 15 млрд. евро каждый год до 2050 года (вспомним, что например Кипр требует помощи в 17 млрд евро, а сколько было влито в Грецию, Италию, Испанию и т.д.?). Это около 600 млрд. евро.
Затраты на уход от АЭС: 0.5-1.5 евроцентов про кВт*ч до 2022 года.
Затраты оплачивает потребитель.

Если Вы осилили весь текст, то не знаю как Вы, а у меня назрело два вопроса:
1) Почему "зеленые" "забыли" про выработку тепла на первом рисунке?
2) Как это реалистично поддерживать такой парк солнечных, ветрогенераторов, ЭГА?
3) Как "гибка" будет такая энергосистема в при изменении потребностей в различных регионах?

Tags: газ, проектирование & проекты, сооружения, статистика, экология, энергетика
Subscribe
promo engineering_ru april 30, 2014 15:00 70
Buy for 200 tokens
Originally posted by zilm at Как будут ремонтировать автомобили с углепластиковым кузовом? Когда инженеры BMW создавали свои подзаряжаемые автомобили, они столкнулись с необходимостью снижения веса. Аккумуляторы делают электромобиль или плагин-гибрид тяжелее аналога с ДВС, а…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 42 comments