Быстрые спады ветровой и солнечной генерации требуют нового подхода к планированию сетей

Новое исследование важно тем, что показывает: одного лишь расширения ветровых и солнечных электростанций недостаточно. При планировании сетей необходимо учитывать вызванные погодой резкие спады, из-за которых доступная генерация может оставаться низкой несколько дней. На практике это означает, что надежность и стоимость электроэнергии будут зависеть также от накопителей, линий передачи, резервов и возможности переносить потребление на другое время.

Исследователи называют такой эпизод «молниеносной энергетической засухой»: это исключительно быстрое сокращение ветрового или солнечного ресурса, за которым следуют как минимум три дня очень низкой потенциальной выработки. Если ветер и солнечное излучение слабеют одновременно, возникает составное событие — две обычно дополняющие друг друга технологии одновременно теряют доступный ресурс.

Команда преобразовала переменные из шестой фазы Проекта взаимного сравнения объединенных моделей (CMIP6) — международного набора климатических моделей — в ежедневные ряды коэффициента использования установленной мощности. Этот коэффициент равен расчетной или наблюдаемой выработке, деленной на максимально возможную; в данном исследовании его оценивали по климатическим переменным. Низкими считались 10% наименьших значений за 1985–2014 годы, а начальный спад должен был входить в 10% самых быстрых за весь период наблюдений.

Затем авторы сопоставили этот базовый период со сценарием SSP1-2.6, который используют для изучения будущего с относительно низкими выбросами. В нем прогнозируемая продолжительность эпизодов увеличивается на 25,6% для ветровой и на 29,8% для солнечной энергетики. Для составных событий рост достигает 155,7%: если историческую продолжительность каждого ряда обозначить индексом 100, соответствующие значения составят 125,6, 129,8 и 255,7.

Исследование также сопоставило прогнозы с существующей инфраструктурой. Около 70,8% ныне установленной ветровой и солнечной мощности находится в географических ячейках карты, где модели указывают на одновременное увеличение частоты и продолжительности таких эпизодов. Этот показатель отражает пространственную подверженность установленной мощности, а не долю электростанций, которые обязательно прекратят выработку.

Чтобы перевести климатические данные на язык эксплуатации энергосистем, временные ряды ввели в модель диспетчеризации — математическую систему, которая определяет, как сочетать источники и ресурсы, чтобы удовлетворить спрос с минимальными затратами при заданных ограничениях. В расчетах такие события сопровождались ростом необслуженной нагрузки — спроса, который смоделированная система не смогла покрыть, — повышенной потребностью в гибкости и большими затратами.

Гибкость — это способность быстро регулировать предложение, потребление или накопление энергии, чтобы поддерживать баланс сети. Ее обеспечивают резервы генерации, накопители, линии электропередачи между регионами и управление спросом — программы, которые вознаграждают потребителей за перенос или сокращение нагрузки в критические моменты. Результаты помогают определить, сколько таких ресурсов нужно предусмотреть, чтобы пережить спад продолжительностью в несколько дней.

При выборе решения важно и размещение новых электростанций. Согласно исследованию, приоритет территориям с меньшим прогнозируемым ростом этого риска может снизить подверженность, если выбор по-прежнему согласуется с климатическими целями и доступным техническим потенциалом. Поэтому вопрос уже не сводится к тому, сколько мощности установить: необходимо также оценивать, сколько весь комплекс сможет вырабатывать во время резкого спада.

Глобальная карта объединяет энергосистемы, рынки и технологии, которые сильно различаются, а SSP1-2.6 описывает один из возможных сценариев, а не календарь будущего. Исследование оценивает продолжительность, географическую подверженность и нагрузку на смоделированную сеть, но не рассчитывает риск отключения электричества в конкретном городе. Практический вывод состоит в том, что проектировщикам следует проверять реальные энергосистемы на устойчивость к совместным многодневным эпизодам с учетом ресурсов, фактически доступных в каждом регионе.