Германии не удастся перейти на полное снабжение электроэнергией за счет солнца и ветра

Правительство Германии поставило перед собой цель обеспечить полное электроснабжение на основе энергии ветра и солнца к 2035 году и не позднее 2038 года декарбонизировать всю систему электроснабжения. Исследование «Будущее немецкого рынка электроэнергии”, проведенное берлинской консалтинговой фирмой e.venture под руководством доктора Флориана Хаслауэра, доказывает − это невозможно. Исследование представляет интерес для РФ в связи с планами правительства по наращиванию мощности ВИЭ-генерации.

Потребность в электроэнергии в Германии в 2021 году оценивалась в 564 ТВтч, к 2040 году ожидается ее рост до 940 ТВтч. Рост будет происходить за счет электрификации в промышленности, теплоснабжении, транспорте, а также производства водорода в электролизерах. Тепловые насосы, электропоезда и электролизеры ответственны за около 80% дополнительного спроса − 310 ТВтч. Дополнительную энергию потребуют 35 млн электромобилей, 10 млн тепловых насосов и электролизеры мощностью около 70 ГВт.

Максимальная нагрузка на сеть увеличивается с сегодняшних 86 ГВт до 146 ГВт.

По оценке авторов, для обеспечения балансового годового спроса на электроэнергию в 2040 г. установленная мощность возобновляемых источников энергии должна быть увеличена со 130 ГВт сегодня до 570 ГВт, более чем в 4 раза. 

Несмотря на значительное расширение ВИЭ надежное обеспечение потребителей не гарантируется, утверждается в исследовании. В любой момент возникают либо излишки энергии, либо дефицит из-за резких скачков ВИЭ-генерации. На рисунке приведен пример профиля генерации и потребления для 2021 года.

Потребление и генерация ВИЭ в Германии в 2021 году, ГВт

Прогнозируемый дефицит или избыток энергии в 2040 году в гигаваттах за счет солнечной и ветровой генерации представлен на рисунке. Около 5 тыс. часов будет иметь место дефицит, остальное время − избыток.

Дефицит и избыток мощности ВИЭ в 2040 году, ГВт

По оценкам авторов, такие ВИЭ, как гидроэнергия, биомасса и переработка отходов, могут сократить дефицит на 38 ТВтч, а количество часов дефицита − на 360 часов. 

Дополнительную гибкость системе энергоснабжению придает использование регулируемых нагрузок. Зарядка электромобилей и использование тепловых насосов могут быть перемещены в менее напряженный часовой диапазон. Если предположить, что для 50% зарядок возможна отсрочка на 5 часов, а для 60% тепловых насосов − до 12 часов, то количество дефицита энергии может быть уменьшено на 15 ТВтч, а количество часов дефицита − на 290 часов. Также можно предположить, что объем аккумуляторов в энергосистеме увеличится до 200 ГВтч. На рисунке приведены оценки баланса энергосистемы в 2040 году для разных вариантов нагрузок.

Оценки баланса энергосистемы в 2040 году для разных
 вариантов нагрузок, ГВт

Варианты:

 — накопление энергии (гидроаккумуляторы и электроаккумуляторы), сокращение дефицита энергии − 36 ТВтч, сокращение времени дефицита − 790 часов, 

 — — повышение гибкости потребления (электромобили и тепловые насосы), сокращение дефицита энергии − 15 ТВтч, сокращение времени дефицита − 290 часов, 

 — ВИЭ кроме солнца и ветра (особенно гидроэнергия, биомасса и отходы), сокращение дефицита энергии − 38 ТВтч, сокращение времени дефицита − 360 часов.

 — остаточная нагрузка, не обеспеченная фотоэлектрической и ветровой генерацией,

— использование электролизеров, увеличение дефицита энергии − 120 ТВтч, увеличение времени дефицита − 1560 часов,

Если мощность гидроаккумулирующих станций увеличится до 66 ГВтч, это может сократить дефицит на 36 ТВтч и время дефицита на 790 часов.

В соответствии с политическими целями в отношении водорода, к 2040 году в Германии ожидается значительный объем электролизных мощностей, которые будут снабжаться из возобновляемых источников электроэнергии. Авторы ожидают установленной мощности электролизеров в 70 ГВт, из которых около 50 ГВт работают в условиях гибкой нагрузки, что уменьшит профицит на 120 ТВтч и время избытка электроэнергии на 1600 часов.

Если удастся использовать весь прогнозный потенциал гибкости энергосистемы, то дефицит можно сократить на 90 ТВтч, т.е. примерно на треть, также на треть сокращается количество часов дефицита − с 5000 до 3600 часов. 

Таким образом, после использования всех возможностей гибкости энергосистемы все еще необходимо обеспечить около 140 ТВтч энергии и мощность пиковой нагрузки в 120 ГВт. 

Авторы прогнозируют, что к 2040 году потенциал отключения нагрузки в промышленности составит 13 ГВт, а потенциал импорта электроэнергии − 25 ГВт. При этом рынки для потенциального импорта будут сталкиваться с такой же ситуацией с ВИЭ, то есть если электричества не хватает в Германии, то его не будет хватать и во Франции, Польше и Чехии. 

С учетом отключаемых нагрузок, а также импорта пиковый дефицит нагрузки может быть снижен со 120 ГВт до 75 ГВт. 

Таким образом, после использования всех описанных потенциальных возможностей для балансировки системы остается дефицит электроэнергии в размере 140 ТВтч. В соответствии с современным уровнем техники только гибкие газовые электростанции могут покрыть этот дефицит. Поэтому авторы предполагают, что в 2040 году потребуется 75 ГВт мощностей газовых электростанций, которые в среднем работают более 1800 часов в год. В полностью декарбонизированной энергетической системе это будут газовые электростанции, работающие на водороде, или электростанции, работающие на природном газе с улавливанием CO2.

Один из самых важных выводов исследования: рост мощности ВИЭ не решит проблему дефицита энергии. Существует законный вопрос, пишут авторы, может ли дальнейшее расширение возобновляемых генерирующих мощностей снизить потребность в гибких мощностях. Анализ показывает, что это не так, во всяком случае, не в значительной степени.

Даже если увеличить мощность возобновляемых генерирующих мощностей на 50%, дефицитная пиковая нагрузка может быть снижена только со 120 до 117 ГВт. Таким образом, время работы в режиме дефицита может быть уменьшено с 5000 до 3300 часов, а количество потребляемой электроэнергии − на 95 ТВтч. Однако это было бы связано с огромными избыточными объемами ВИЭ-энергетики и высокими дополнительными потребностями в расширении электросети. Потребность в гибких (диспетчеризуемых) мощностях электростанций существенно не уменьшится, однако часы работы гибких электростанций сократятся с более чем 1800 до 600 часов в год. 

При росте ВИЭ-генерации предельная полезность системы быстро уменьшается, и с экономической точки зрения более целесообразно перейти на гибкую генерацию, инвестировать в долгосрочное хранение и гибкость потребления.

Дефицит и профицит в оптимально гибком варианте, ГВт

Для удовлетворения потребностей Германии в электроэнергии за счет возобновляемых источников электроэнергии необходимы инвестиции в размере более 800 млрд евро. Наибольшую долю в этом составляют более 400 млрд. евро на развитие ветровых и фотоэлектрических систем, 135 млрд евро требуют газовые электростанции и хранилища энергии, 250 млрд евро надо вложить в сетевую инфраструктуру.

Мощность газовых электростанций, как было сказано выше, требуется увеличить с нынешних 32 ГВт до будущих 75 ГВт.

Необходимые инвестиции в энергосистему Германии, млрд евро

Прим. Нижний раздел левой диаграммы − инвестиции в PV (202 млрд) 

Итоговые выводы авторов не вызывают оптимизма. Ожидается, говорится в работе, что в 2040 году в течение примерно 1600 часов ВИЭ не смогут полностью продать свою энергию, поэтому в эти часы можно ожидать цену в 0 евро/МВтч. В Европе уже неоднократно фиксировались даже отрицательные цены на электроэнергию, так как останавливать ветрогенераторы и отключать нагрузку панелей с технической точки зрения может обходиться дороже, чем отдавать энергию в сеть бесплатно или даже с доплатой.  

Стоимость зеленого водорода в 2040 году авторы оценивают в 4 евро/кг, при этом предельная стоимость электроэнергии газовых электростанций, работающих на водороде, составит порядка 222 евро/МВтч. В описанных выше предположениях авторы предлагают прогноз цены электроэнергии в Германии до 2040 года – заметно больше 100 евро/МВтч.

Прогноз цены электроэнергии в Германии до 2040 года

Авторы считают, что такая цена обеспечит долгосрочные инвестиционные стимулы для возобновляемых генерирующих мощностей, а для газовая генерация на водороде из-за высокой волатильности могут возникнуть проблемы. Для компенсации указанных финансовых, трансформационных и нормативных рисков газовой и водородной генерации авторы предлагают проводить аукционы на поставку мощности. Плата за мощность уже применяется в Великобритании, а теперь ее обсуждают и в США.

***

Комментарий ИРТТЭК. Перед нами одно из немногих детальных исследований, в котором достаточно авторитетная команда доказывает невозможность полностью отказаться от диспетчеризуемой газовой генерации, сколько бы ветрогенераторов и солнечных панелей ни было построено. Хочется предположить, что субъекты германской экономики таким образом начали готовить общество к отказу от зеленого безумия правительства, которое уже фактически уничтожило германскую нефтехимию и вынуждает разбегаться по разным странам все энергоемкие отрасли промышленности. 

Может быть, мы еще доживем до восстановления «Северных потоков» и прежней дружбы с Германией, конечно, после смены нескольких правительств.