Возобновляемые источники энергии в Германии

Солнечный парк Унтершписхайм во Франконии, Германия

Возобновляемые источники энергии в Германии - "Germany connects 1 GW of wind, solar to the grid in Sept" (Германия подключила 1 ГВт ветровой и солнечной энергии к энергосети в сентябре).

Германия в сентябре запустила 273,13 МВт наземных ветровых установок, 99 МВт морских турбин и 691,27 МВт новых солнечных мощностей, сообщило Федеральное сетевое агентство в понедельник.

С точки зрения новых введенных солнечных мощностей сентябрь стал вторым по величине месяцем в этом году после марта, когда были введены в эксплуатацию новые солнечные системы мощностью более 730 МВт. Более 60% новых солнечных мощностей в сентябре, или 420,72 МВт, были подключены к сети вне тендеров EEG. Из этих станций на наземные станции приходилось всего 6,34 МВт.

Развертывание наземной ветроэнергетики восстановилось, зарегистрировав самый высокий месячный уровень с начала года после трех месяцев спада подряд.

В сентябре в Германии заработали электростанции на биомассе общей мощностью 1,43 МВт. За первые девять месяцев года новые мощности по биомассе по стране достигли 18,98 МВт.

Это я некоторое время назад опубликовал в своем телеграм-канале, после чего получил интересное письмо от читателя Павла из Германии: он работает в APL GmbH - немецком центре испытаний топлив, масел, двигателей и автомобилей - и он раньше уже присылал свои комментарии по вопросам зеленой энергетики.

Привожу его письмо - для тех, кого интересует данная тема, а лично меня она очень интересует, так что всегда интересно послушать человека, разбирающегося в данном вопросе. 

Прочел Ваш недавний пост в тг о ветроэнергетике в Германии и как представитель немецкой компании не могу не сделать несколько разъяснений. Так как мои коллеги занимаются и испытаниями водородных технологий, электропривода и т.п., энергетика – в общем, наша тематика!

Существует очень большая, но редко осознаваемая разница между [установленной] мощностью традиционных электростанций (на ископаемом топливе, атомных и др.) и новой энергетикой. Газовые турбины, атомные и гидроэлектростанции в 100 МВт способны выдавать эти 100 МВт стабильно в течение месяцев в режиме 24/7. Остановка работы – только на обслуживание, оно занимает от нескольких процентов до 15-20% времени. Обычно, но не всегда, наиболее эффективный режим работы это 97-98% установленной мощности, но может быть и 80%, остальное это резерв, в наиболее эффективном режиме стараются и работать. Величина резерва зависит от состава электростанций, типа потребителей и принципов работы энергосистемы.
 
Мощность солнечной или ветровой электростанции это совсем другое дело. 100 МВт установленной мощности – а именно эту мощность обычно и сообщают в прессе - солнечная электростанция выдает несколько минут в день, когда солнечные лучи падают на их неподвижные панели наиболее оптимальным образом. Кстати, это отнюдь не всегда 90°. Кстати, облачность снижает выработку практически на порядок. Человеческий глаз обладает удивительной способностью к адаптации и снижение освещенности по приборам в 10 раз нам кажется незначительным.

Ночью, очевидно, солнечная электростанция почти ничего не выдает. Недавно в прессе прошумела новость о солнечных панелях, работающих в темноте, но обращать на это внимание не стоит. Ночью (как и днем!) из космоса идет поток фотонов инфракрасного излучения, их тоже могут использовать специальные солнечные панели, только вот излучения этого ночью совсем немного и энергетике оно вряд ли поможет. Но действительно, для нас ИК-излучения – темнота, наш глаз его не видит.
 
Ветровая турбина также будет выдавать свою установленную мощность только в тот момент, когда дует ветер оптимальной силы. Все ветровые турбины имеют верхний и нижний предел скорости ветра, за ними они отключаются – ставят лопасти перпендикулярно потоку воздуха.
 
Поэтому сравнивать мощности напрямую невозможно. Если брать выработку за календарный год, то солнечная электростанция произведет в среднем эквивалент 11-13% установленной мощности в зависимости от широты и типа климата, наземные ветрогенераторы – ок.22-24%, морские – 30-35%. Над морем есть зоны, где ветер дует почти значительно больше времени, чем над сушей, поэтому и разница такова. В энергетике эти проценты называют изящным эвфемизмом «load factor» или «уровень загрузки».
 
Нередко можно слышать о более высоком уровне загрузки. Один из последних проектов морских ветряков в Великобритании заявлял load factor в 42%, но отказался прописать его в документах на проект. Так что все, что близко или более 40%, к сожалению, фантазии, нет в мире на уровне моря мест, где ветер дует постоянно. В небе есть постоянные струйные течения, но отправить туда привязные ветрогенераторы пока за пределами наших авиационных технологий и, скорее всего, еще долго так будет.
 
Таким образом, реальная мощность солнечной электростанции в 100 МВт – 11-13 МВт, ветрогенераторов – примерно 23% и 33%. При этом время остановки традиционного энергоблока всегда известно заранее, а ветер и облака непрогнозируемы. Этой зимой в Северном море не было ветра две недели и в Великобритании случился энергетический кризис, т.к.у них чрезвычайно высока доля ветроэнергетики. Важно понимать, что выработка электричества на солнечных или ветровых электростанциях всегда колеблется даже внутри каждой минуты – облака меняют плотность и могут двигаться быстро, а ветер переменчив иногда за секунды. Однако график выработки на таких электростанция обычно сглажен за счет снижения эффективности. Попросту говоря, они не вырабатывают столько, сколько могут, чтобы их выработка не прыгала постоянно и непредсказуемо для других участников энергосистемы.
 
Еще сеть гелиоэлектростанции, плоские или параболические зеркала которых концентрируют солнечный свет на центральных башнях или индивидуальных трубках с теплоносителем. Вода через теплоноситель в трубках или напрямую нагревается и превращается в пар, пар вращает турбину. Очень крупная гелиостанция есть в пустынной Неваде рядом с Лас-Вегасом, она весьма эффективна, только вот воды потребляет на мытье зеркал столько, сколько и сам Лас-Вегас. Кстати, обычные солнечные электростанции тоже требуют огромного количества воды для мытья – грязь и пыль сильно снижают выработку. Такие станции активно строятся в пустынях в Китае, Индии, здесь в Израиле, в других странах, а в пустыне пыль откладывается на солнечных панелях очень быстро – они не горизонтальны, но близки к этому, а ветер будет все время. Чистой воды в этих странах мало, решить эту проблемы можно разве что запретив ветер.
 
Но на этом сложности с новой энергетикой не заканчиваются! В каждой энергосистеме много электростанций разных типов и много разных потребителей. Круглосуточно работающий НПЗ или металлургический завод потребляет в целом стабильно в течение суток, разве что отдельные цеха и офисы работают в одну смену. А вот метрополитен ночью не ходит, население дают утренние и вечерние пики потребления и т.д.
 
Поэтому в энергосистеме все время необходимо балансировать нагрузку – выдавать точно столько электричества в сеть, сколько потребляется в этот момент. Если выдавать меньше, то потребители начнут буквально «высасывать» энергию из сети – электрогенераторы начинают раскручиваться быстрее, частота тока растет, что нарушает работу практически всего электрооборудования. Выдавать больше – это приводит к перегреву оборудования и его повреждению. Балансировка должна быть очень быстрой.
 
Да, можно направлять эту энергию в хранилища – но нет никаких эффективных способов хранения электричества в больших количествах! Напомню, что аккумулятор это вообще-то химический реактор (хорошо, девайс!) для проведения обратимых электрохимических реакций, КПД которых сильно зависит от множества факторов – скорости реакций (или «зарядки-разрядки»), температуры, степени полноты реакции (или полноты «зарядки»). Существующие системы батарейного хранения по сути предназначены для экстренного питания критических систем крупных городов, а не для компенсации суточных колебаний нагрузки и производства энергии.
 
Единственные реально существующие системы хранения - это гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). В них мощные мотор-генераторы в моторном режиме качают воду в верхнее хранилище из нижнего, а в генераторном работают просто как турбины гидроэлектростанций. Почти каждая более-менее крупная национальная энергосистема в мире имеет ГАЭС, их довольно широко используют с 1960-х. Цикловая эффективность или КПД новейших ГАЭС до 75%, но цикл в этой отрасли это только половинка того, что обычно считают таковым! Т.е. в самом лучшем случае нужно умножать 75% х 75%, что дает 58,5%, а это уже не так хорошо. Однако, как и любая машина, мотор-генераторы ГАЭС имеют разную эффективность в разных рабочих режимах и эти 75% для «зарядки» или «разрядки» достижимы только в наиболее благоприятных режимах. На одном уровне они еще реже.
 
Обеспечить работу ГАЭС только в оптимальных режимах невозможно – они предназначены для «хранения» и выдачи излишком электричества. Опыт разных стран 70-90-х дает практический КПД ГАЭС на уровне 32-34%. Возможно, за счет лучшего планирования, более точного прогнозирования погоды и т.п. можно поднять КПД до 40%, но выше – сомнительно. Конечно, всегда можно провести демонстрационный пробег за счет эффективности электростанций, но это не то, что нужно.
 
Есть еще один важный момент – от принятия решения до запуска ГАЭС проходит 15-17 лет. Нужно найти геологически крайне надежные холмы или горы в месте со свободными ресурсами воды и там, где внизу, под верхним резервуаром, в целях безопасности нет и не будет никакого жилья. Нужен огромный объем земляных и бетонных работ… В общем, это строительство гидроэлектростанции, просто многофункциональной.
 
Конечно, можно и нужно и находить инновационные решения. Например, сейчас во Франции есть проект ГАЭС в глубоких карстовых пещерах, но объем буровзрывных работ все равно очень велик.
 
Другие способы хранения энергии еще менее эффективны и часто кажется, что они рассчитаны только на глупых богатых инвесторов. Например, хранение энергии в сжатом воздухе обычному человеку может показаться отличной идеей! Но пневмодвигатели (на сжатом воздухе) применяются давно, чуть не сто лет – например, быстропереналаживаемый привод в промышленности именно такой, самоходные транспортеры во взрывоопасных цехах имеют пневмодвигатели из неискрящей бронзы и латуни. КПД таких систем 4-7% и заметно выше никак его не сделать. Дело в том, что при сжатии воздух очень сильно нагревается и основная  часть энергии, которая направлена на сжатие воздуха, просто теряется в виде тепла. Несколько стартапов сейчас собирают миллионы на такие системы, но это явное и однозначное мошенничество – законы физики нельзя изменить. Правда, когда был еще жив Стив Джобс, он и ряд других глав крупных IT компаний в Калифорнии вложили ок.80 млн. долл. в стартап по хранению энергии в расплавах солей с КПД 104%... Справедливости ради надо отметить, что основатели сделали оговорку - законов физики они не нарушают, просто технический КПД у них такой получается.
 
Так что если у вас только солнечная энергетика в стране, скажем в тем же, в 100 МВт, то ее реальная выработка по году в энергосистеме - 7-8 МВт при частичной работе через ГАЭС. Часть энергии нужно направлять в сеть напрямую и полностью через ГАЭС работать не нужно. У морского ветрогенератора отдача  будет получше, процентов 15-18, а у наземного – около 10. Так что сравнимой с обычной электростанцией будет солнечная с установленной мощностью почти в 13 раз больше, а ветровая – в 7-10.
 
Сейчас доля вознобляемой энергетики довольно невелика. Часто можно видеть цифры огромного производства электричества в Германии на ветряках, только вот Германия – традиционный нетто-импортер электричества. До прошлой осени более 30% потребления в Германии обеспечивалось импортом электричества от французской атомной энергетики. Потом оказалось, что дюжина самых новых французских атомных реакторов имеют дефект – трещины в трубках первичного контура, проходящего через активную зону. Эти реакторы были остановлены и до сих пор стоят, решения пока нет. Целый ряд других энергоблоков был поставлен на плановый ремонт – они довольно старые и он занимает от полугода и более. Кстати, немецкое правительство, зная за много лет об этих планах, зная о выводе из эксплуатации дефектных реакторов и видя концентрацию российских войск вдоль украинской границы, в конце 2021 года приняло решение все свои атомные станции закрыть совсем…
 
Франция теперь сама импортирует электричество  - теперь уже из Германии (лето было очень ветренным!), из Бельгии, других стран. Европейская энергосистема едина (вернее, состоит из двух больших блоков) и позволяет балансировать нагрузку довольно гибко, намного лучше, чем потоки природного газа.  В целом, пока пики производства солнечной и ветровой электроэнергии достаточно легко компенсируются за счет существующих ГАЭС (их КПД даже немного подрос!) и изменения выработки на обычных электростанциях. Но их КПД также зависит от режимов работы, а в целом выбирался для оптимальной балансировки национальных энергосистем в целом. Рост солнечной и ветровой электроэнергетики этот оптимум нарушит, если не начал уже нарушать. А это снижение КПД электростанций на мазуте, газе, угле и означает рост выбросов.
 
Биомасса и органические отходы - тоже неплохой источник энергии, но по сути только потому, что они чаще всего и так уже есть, гниют и выделяют метан, который как парниковый газ эффективнее СО2 примерно в 84 раза. Так что этот метан даже просто сжечь с точки зрения борьбы с парниковым эффектом очень полезно, не говоря уже о выработки электричества. В Германии немало миниэлектростанций с газопоршневыми двигателями, которые работают на таком газе. Берут, например,навоз из Голландии, где его утилизация очень дорога, смешивают с непищевыми корпеплодами и получает биогаз. Фекальные стоки, пищевые отходы, особенно промышленные и ресторанные, свалки – все это выделяет метан, который можно и нужно сжигать, получая тепло и электричество.

Выбор солнца и ветра как источников «зеленой» энергии был явно неоптимальным, если не сказать прямо – ложным. Современной цивилизации нужен не просто источник энергии, а стабильный, предсказуемый, непрерывный источник энергии. К сожалению, ни Солнце, ни ветер это не могут обеспечить. Атомная энергетика, гидроэнергетика, геотермальная во всех своих новых ипостасях, энергия морских течений и приливов – могут.

Upd: От Павла ответ по поводу комментов к данной записи.

Добрый день, забавно прочитать, как всегда, ответы. Особенно радует, как подловили копипастера на "Израиле":))
 
Да, работаю в немецком центре, живу в Израиле, до этого в России жил всю жизнь и работаю в АПЛ много лет, многие про удаленную работу и не слышали, видимо)) А если вдруг перееду в Таиланд?))
 
Во Франции никому закупать энергию больше не получится, по крайней мере, в ближайшие годы, хотя Франция была основным экспортером энергии в Германию. Всего во Франции 51 реактор, из них 26 - наиболее новые и вот они стоят. К сожалению, в самых новых реакторах найдены трещины в трубках теплоносителя первого контура (который проходит через активную зону). По крайней мере 10 или 12 реакторов требуют обширного и дорогого ремонта, хотя оценки, прогнозы и само количество дефектных реакторов разнятся - это явно системный дефект, пропущенный всеми ответственными лицами и организациями. В принципе они работать могут, но вероятность прорыва теплоносителя в активную зону и аварии реактора увеличивается, хотя и весьма мала. Тут нужно политическое решение, но вряд ли политики примут решение, увеличивающее вероятность аварии на атомной станции. Ремонты займут годы, но даже активного обсуждения пока не слышно. По сути, все ответственные в растерянности, т.к. ситуация беспрецендентна. Франция сама в этом году импортирует электроэнергию отовсюду, откуда можно. Значительная часть реакторов в этом году также стояла или еще стоит на плановом ремонте и обслуживании, занимающих полгода минимум.
 
Балансировка нагрузки за счет переброса мощности возобновляемой энергетики между регионами Европы была совершенно правильно указана рядом комментаторов как одно из решений. Однако это никак не отменяет того факта, что 1 кВт установленной мощности традиционной электростанции де-факто в длительном режиме равен примерно 4 кВт наземных ветряков, 3 кВт морских ветряков и 8,5 кВт солнечных (фотоэлектрических) станций. Т.е. в реальности именно на такие коэффициенты нужно умножать текущую объявленную стоимость 1 кВт мощности возобновляемой энергии. И это без учета стоиомсти и, главное, эффективности систем хранения! Солнечные и ветровые станции дают очень много дешевой энергии обычно не тогда, когда она нужна, а изменчивость ветра и облачности не позволяет быстро перебрасывать мощность.
 
В этом одна из проблем зеленой энергетики - когда ветра много и солнцо светит ярко, она выдает много электричества на рынок и его стоимомость минимальна из-за высокого, даже чремерного предложения. Новые ветровые и солнечные станции только ухудшают комммерческие условия работы своих "собратьев", делая электричество еще дешевле. Когда же электричество дорогое, "эеленая" энерегетика его не выдает или выдает мало, поэтому заработать не может и чем дальше, тем в этом плане хуже. Этого не понимают часто даже политики.
 
Касательно КПД промышленных электролизеров для производства водорода пока в прессе есть только очень высокие, но никак независимо не подтвержденные цифры, обычно это 65%. Боюсь, реальность окажется в разы меньше, предыдущие поколения электролизеров имели КПД на уровне скорее процентов. Никакая отрасль прыгнуть сразу через несколько поколений серийной техники не может. Также пресную воду электролизерам нужно готовить, водород для толпивных ячеек - очищать, т.к. многие незначительные примеси для их мембран сильный яд. Да, "яд" применяется в отношении промышленных мембран и катализаторов, которые, правда, в судорогах и мучениях от "ядов" не умирают. Так что до водорода в качества метода "хранения" электроэнергии пока далеко, если вообще таковое будет иметь практический смысл. Было по крайней мере три "водородных волны" с 1970-хх, когда водород провозглашался уже пришедшим к нам светлым будущим, сейчас четвертая. Посмотрим...
 
Также еще очень многие не понимают смысл ценовых циклов или изменений цен на новую, инновационную технику. Когда электромобили были новинкой, то цены были очень высокими - батареи производились мелкосерийно, а это всегда дорого. Сейчас электромобили производит массово и цены упали, как падают цены на все и всегда при переходе от мелкосерийного к массовому выпуску. Однако сравнивать такие цены бессмысленно - это сравнение зеленого с мягким. Сравнивать сейчас цены можно только массовых товаров. Вот тут уже мы никаких радикальных падений цен на батареи, электромоторы и очень дорогие твердотельные системы управления большими токами и мощностями не видим и быть их не может. В ветровых электростанциях это видно хорошо - конкуренция производителей привела к повышению стоимости владения.  Производители сокращают стоимость за счет надежности, долговечности, увеличения частоты очень дорогого обслуживания. Формально цены упали, но в реальности стали выше, т.к. смотреть надо именно на стоимость владения.
 
А стоимость самого лития выросла за последние полтора года в несколько раз! Да, можно его добывать из рассолов (подземных высокоминерализованных вод), только пока промышленно это еще никто делать не начал. И кстати, 60% производства лития контролируется китайскими компаниями. Несколько лет назад цена на литий уже была директивно поднята в два раза под предлогом борьбы за экологию. В смазочной отрасли это хорошо почувствовали - лучшие пластичные смазки содержат гидроксид лития.
 
КПД солнечных батарей конечен! Текущее поколение имеет теоритически максимальный КПД ок. 28% и 32% в зависимости от того, 1 или 2 электрона выбивает фотон. Эмиссия электронов атомами происходит при переходе ("прыжках") электронов между промежуточными электронными уровнями ("орбитами"). Излучаемая таким образом энергия и тепловые потери определяется квантовыми свойствами; ждать КПД в 90% вообще не приходится.
 
Да, инноваций в электромоторах и системах управления очень много, только для всех них требуется огромное количество меди и редких элементов, которых мы не только не производим, но даже еще и не разведали. Цикл строительства гидроаккумулирующих станций сейчас около 17 лет, новые шахты не намного меньше времени требуют для начала выдачи руды или рудного концентрата. Раньше 2040 года новые шахты вряд ли заработают - нужно еще получить на аукционах право на разведку месторождений, а потом - снова на аукционе! - получить право на добычу, в основном правила в разных странах таковы.
 
А вот со старыми лопастями ветряков решить проблему проще всего - их можно производить не из стеклопластика, а из алюминия по авиационным  технологиям. Они будут дороже, но их можно почти полностью переработать (алюминий на воздухе всегда покрыт слоев окиси алюминия, которая при передотке идет в шлак, именно поэтому алюиминиевая банка перерабатывается не вечно, а 30-33 раза))