Что приоритетней для системы энергоснабжения: экономика, экология, гибкость или надежность? Часть 1

Сегодня мы публикуем первую часть беседы с Антоном Даниловым о сравнительных особенностях американской, европейской и отечественной энергосистем.

США: турбины под открытым небом

Текущей зимой Соединенные Штаты пережили крупнейшие веерные отключения электроэнергии в период рекордно низких температур и обильных снегопадов. Самый продолжительный блэкаут случился в Техасе — наиболее развитом в энергетическом смысле штате страны.

Авария стала показательной, наглядно продемонстрировала уязвимость национальной американской системы. Она здесь устроена по принципу островов, связи между которыми — зачастую слабые. Энергосистема Техаса практически изолирована, по сути, это отдельный рынок электроэнергии с очень свободным ценообразованием. При этом она профицитна, то есть установленная мощность генерации больше, чем пиковое потребление. Порядка 50–55% составляет газовая генерация, поскольку Техас — крупный производитель голубого топлива, от 11% до 15% приходится на атомную энергетику, до 18% — ВИЭ, а остальное вырабатывают угольные станции. Пик потребления, как ни странно, приходится на лето, когда у всех работают кондиционеры: штат находится на широте Северной Африки в зоне высоких температур. По многолетней статистике, минимальная зимняя температура составляла –3 градуса Цельсия. В этом году столбики термометров опустились до –20, и это спровоцировало системный коллапс.

Оборудование, установленное в газотранспортной системе Техаса, было спроектировано на определенный климатический диапазон. Например, у нас в Сибири, где наблюдается резко континентальный климат (от –40 до +40) все технологии рассчитаны именно на возможный перепад температур. Это требует дополнительных капитальных вложений. Американцы — люди, умеющие считать деньги, — решили сэкономить на надежности и безопасности.

Поэтому в Техасе есть примеры, когда турбина изначально устанавливается под открытым небом (открытая компоновка). Для Сибири это, конечно, дико. Мы строим отапливаемые помещения, при критически низких температурах включаем дополнительные резервные блоки, которые в течение всей зимы греют основной корпус станции, защищают паропроводы, чтобы все функционировало и было исправно. А у техасцев вообще на некоторых станциях нет стен.

К чему это привело? Когда температура упала до –20, из-за обледенения газового конденсата перестала работать газотранспортная система, отключились компрессоры, поэтому из хранилищ не смогли извлечь и транспортировать запасы газа. Как следствие, газовая генерация, обеспечивающая более половины производства электроэнергии, не смогла обеспечить выработку. Надежность предполагает запасы топлива, и они были. Но в условиях мороза и снегопадов ими не смогли воспользоваться. В то же время потребление электроэнергии превзошло расчетные величины, на которые «заточены» резервы мощности в энергосистеме штата.

При этом стоит отметить, что и другие виды электростанций Техаса показали свою уязвимость в условиях низких температур. Из-за замерзания датчиков произошло отключение одного из энергоблоков АЭС Саус-Тексас (правда, через 2 суток работа была восстановлена). В критические морозы 50% ветрогенерации оказалось не в состоянии выдавать мощность.

Таким образом, «энергетическая столица» США оказалась более чем на двое суток без электричества и воды — базовых потребностей современной цивилизации. Помимо климатических причин (беспрецедентных морозов, связанных с глобальным изменением климата), можно выделить еще как минимум две системные: отсутствие общенациональной электросети, которая бы позволила в условиях форс-мажора организовать перетоки между штатами и минимальные инвестиции в модернизацию устаревшего оборудования и линий передач. Можно предположить, что случившиеся аварии и их плачевные последствия (более 20 погибших) заставят коллег из Техаса хорошо задуматься об обеспечении устойчивости системы. Впрочем, статистика последних лет демонстрирует, что США уже давно лидируют по количеству блэкаутов среди развитых стран, и, несмотря на это, системных изменений в подходах пока не случилось.

Энергосистема ЕС: гибкая, но дорогая

Европейская энергосистема на сегодняшний день представляется одной из самых устойчивых в мире и, возможно, самой гибкой. Территория Евросоюза, в сравнении с Россией, относительно небольшая, при этом количество линий электропередач внушительное. Неэффективные электростанции в отдельных странах можно отключать полностью и оставлять в резерве, получая энергию по линиям энергопередач из соседних государств и регионов.

Морозы нынешней зимы в очередной раз испытали европейцев на прочность. Главным вызовом стал рост стоимости ресурсов. В периоды максимальных нагрузок и ограничения выработки цены на бирже Nordpool взлетели до 50 евро за МВт*ч (в пиковые часы — до 250 евро). Также на рост стоимости электричества для конечного потребителя влияет отказ стран Балтии от импорта энергии из Белоруссии и сокращения — из России.

Крупнейшим потребителем дешевого российского электричества до последнего момента являлась Финляндия. Однако в стратегии развития финского отраслевого оператора Fingrid есть сценарии отказа от российского энергомоста, проходящего через Выборг, за счет восполнения дефицита ветропарками и перехода на водородную энергетику.

Рост спроса, а соответственно, и стоимости электричества этой зимой наблюдался практически во всех странах ЕС. При этом благодаря качественному оборудованию, развитым линиям электропередач и продуманной системе перетоков, дефицита энергии зафиксировано не было. Европейская система в очередной раз продемонстрировала свою устойчивость и сбалансированность.

Российская энергосистема: во главе угла надежность

Российская энергосистема отличается от европейской меньшей гибкостью. У нас достаточно развитая сетевая инфраструктура, особенно в европейской части, однако не все станции можно отключить и оставить в резерве. При этом в отличие от техасской в фундамент нашей энергетики с советских времен была заложена надежность.

Из чего она складывается? Из множества элементов: самих энергетических станций, трансформаторов, линий передач, автоматики, — совокупность которых позволяет обеспечить потребителя стабильным круглогодичным электроснабжением. Поэтому критерий надежности системы один — отсутствие отключений потребителей.

С советских времен был заложен резерв мощности. Его имеют все электростанции. Их строили таким образом, чтобы крупные объекты, находящиеся поблизости (большой завод или город), могли балансировать свою нагрузку. Если вдруг что-то произошло в энергосистеме, электростанция все равно остается в работе: генерирует меньше, но обеспечивает крупный объект энергоснабжением. Полного блэкаута не происходит.

Запасы топлива на угольных электростанциях обеспечивают возможность работы без нового завоза угля до нескольких недель.

Проблема энергосистемы России — ее протяженность, то есть резерв мощности, который есть на юге и в центре, мы не можем перенаправить в районы Севера или Дальнего Востока. Поэтому, когда обсуждается вопрос необходимости (или избыточности) резервирования мощности, нужно смотреть на локальные районы и держать в голове форс-мажорные ситуации, которые могут возникнуть.

Например, приходит на ум авария на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году, после которой по команде Системного оператора включилась вся доступная генерация Сибири, находящаяся в холодном резерве. Стоило ли ради этого содержать резервы генерации в Сибири? Я считаю, что да: несмотря на страшную трагедию, обошлось без блэкаута, ни один потребитель не пострадал от отключения электроэнергии.

И тем не менее масштабные аварии в отечественной энергосистеме иногда происходят. Причиной служат отключения мощного генерирующего оборудования, повреждение крупной линии электропередач, неправильная работа системной автоматики. В 2017 году к тяжелым последствиям привели отключения алюминиевых заводов: резко уходила мощность потребления (свыше 1 ГВт), и возникали динамические процессы, провоцирующие разъединение энергосистемы.

Мы в России привыкли к тому, что свет есть всегда, и не задумываемся о том, какие за этой привычкой стоят усилия, какая степень надежности заложена в энергосистему. Пример Техаса еще раз заставляет задуматься о том, что любые действия по снижению стабильности в сторону экономики, экологии либо других аспектов должны быть обдуманы и взвешены. Мы должны сохранить свое преимущество.