Энергосистема Великобритании: гибкость против капризов погоды

8 января 2025 года для большинства британцев стал обычным, хотя и немного прохладным днем. Однако именно низкие температуры в сочетании со значительным снижением скорости ветра привели к тому, что цена на электроэнергию в реальном времени подскочила более чем в семь раз выше среднего показателя за зиму 2024-25 годов.

Национальная операционная система энергоснабжения (Neso), отвечающая за круглосуточную балансировку спроса и предложения электроэнергии, назвала «погодные факторы» основной проблемой этого дня. Затраты Neso на производство достаточного количества электроэнергии для балансировки системы в этот день составили 21 миллион фунтов стерлингов — расходы, которые в конечном итоге ложатся на потребителей.

Новый отчет, подготовленный Королевским метеорологическим обществом при поддержке энергетического отдела AECOM, глобальной компании по проектированию инфраструктуры, подчеркивает, насколько британская энергосистема уязвима к, казалось бы, незначительным погодным условиям. В отчете указывается на важность прогнозирования и реагирования на подобные события, а также представлены доказательства, которые помогут спроектировать будущую энергосистему так, чтобы она оставалась устойчивой к погодным изменениям.

Каждую минуту Neso отслеживает погодные условия, чтобы принимать решения о наилучшем способе балансировки спроса и предложения. Если прогноз указывает на снижение скорости ветра, Neso может использовать различные инструменты для компенсации снижения выработки ветровой энергии. К ним относятся межсоединения (импорт избыточной электроэнергии из соседних стран), накопленная энергия или газовые генераторы.

Спрос на электроэнергию также колеблется в зависимости от изменений погоды. Зимой, в пасмурную и холодную погоду, люди склонны больше использовать отопление и освещение, а также чаще кипятить чайники. Летом волны жары могут увеличить спрос из-за использования вентиляторов и кондиционеров.

Наиболее трудные периоды возникают, когда увеличение спроса совпадает со снижением выработки ветровой энергии. Погода, вызывающая такие пасмурные и штилевые условия, известна как «dunkelflaute» — немецкое слово, означающее «темнота и штиль». Такие условия также называют «антициклональным мраком». Недавно они повлияли на погоду в Великобритании. Исследователи из Университета Рединга показали, что «dunkelflaute» обычно связана со стационарным антициклоном над Великобританией. Эти системы блокируют поступление влажной и ветреной погоды на Британские острова.

Благодаря точности современных метеорологических прогнозов, обычно есть достаточно времени для предупреждения о таких ситуациях. Однако за срочное увеличение выработки электроэнергии приходится платить, поскольку лишь немногие электростанции могут быстро запускаться, и их эксплуатация дорого обходится. Это повышает общую стоимость электроэнергии.

Эпизоды «dunkelflaute» могут быть краткими и интенсивными, как 8 января, когда цена резко подскочила из-за ограниченности прогнозов. Или они могут быть менее выраженными, но длиться дольше, например, в начале ноября 2024 года, когда наблюдалась продолжительная ветровая засуха, длившаяся несколько недель. Это приводит к затяжному периоду высоких системных цен на электроэнергию.

Условия «dunkelflaute» не являются уникальными для Великобритании. Они могут охватывать несколько стран, как показали исследования в Германии. Для объединения европейских энергосистем и обмена электроэнергией строятся все больше кабельных линий. Однако, если страны одновременно испытывают ветровые засухи, способность этих соединений балансировать спрос и предложение снижается. Энергосистемы должны быть устойчивыми, даже если страны не могут импортировать энергию от своих соседей.

Будущее энергосистемы

В будущем ожидается увеличение мощностей ветровой и солнечной энергетики, а также резкий рост потребления электроэнергии из-за увеличения числа тепловых насосов и электромобилей. Отчет моделирует последствия экстремального снижения скорости ветра в январе для такой будущей энергосистемы. Простое увеличение числа ветряных турбин и солнечных панелей недостаточно. Требуются другие стратегии, чтобы обеспечить бесперебойное электроснабжение в низкоуглеродной энергосистеме.

Важно отметить, что увеличение доли электроэнергии, получаемой из зависящих от погоды источников, не означает невозможность реализации планов по созданию низкоуглеродной энергосистемы. Однако потребуются другие технологии, чтобы заполнить разрыв между возобновляемой генерацией в данный момент и спросом в это время.

Одним из вариантов является увеличение объемов хранения энергии, используя избыточную электроэнергию в периоды сильных ветров для накопления энергии на время ветровых засух. Хранение энергии существует во многих формах, включая гидроаккумулирующие электростанции (накачивание воды вверх и ее последующее падение для высвобождения энергии), аккумуляторы и, потенциально, зеленый водород (получаемый путем электролиза воды).

Другие варианты включают межсетевое взаимодействие с сетями других стран и строительство других форм низкоуглеродной генерации, таких как атомные электростанции. Межсетевой кабель с Данией — Viking Link — был введен в эксплуатацию в конце 2023 года. Это означает, что Великобритания может импортировать энергию из Дании, когда отечественная ветровая генерация низка, и экспортировать энергию в обратном направлении при избытке возобновляемой энергии, сглаживая колебания поставок электроэнергии в обеих странах.

Планируются дальнейшие новые межсетевые соединения между Великобританией и Нидерландами, Бельгией и Германией.

Альтернативой является корректировка спроса в соответствии с имеющимся предложением. Это называется «гибкость спроса». Например, потребителям может быть предложена очень дешевая — или даже бесплатная — электроэнергия в периоды избыточной генерации возобновляемой энергии, что стимулирует их потреблять больше электроэнергии, когда ее много. Бизнес также может быть стимулирован к снижению потребления, когда предложение ограничено.

Новые технологии могут помочь сократить потребление энергии в пиковые часы, облегчая соответствие уровней предложения. Например, умные зарядные устройства для автомобилей обмениваются информацией с сетью и операторами для корректировки времени зарядки в периоды низкого спроса. Гибкость спроса уже проходит испытания и, вероятно, станет более распространенной в будущем.

Великобритании необходима правильная комбинация этих решений для поддержания системы, которая продолжает обеспечивать электроэнергией в условиях постоянно меняющейся британской погоды. Большая часть электроэнергии Великобритании будет поступать от ветра, когда он дует. Но хранение, межсетевые соединения и гибкое использование электроэнергии — основанные на исследованиях частоты и интенсивности «dunkelflaute» — являются жизненно важными компонентами.

При наличии такого комплекса мер дни, подобные 8 января, будут управляться гораздо легче.