Главная >  Потенциал энергии 

 

Товарная культура на ветряной фе. Эйю Чен,

 

Питер Бикель ,

 

Повышение значимости ветроэлектричества

 

Брайс Смит

 

Более того, сегодня энергосистема переживает неведомые доселе трудности. Длительная засуха в западных штатах порождает более серьезные опасения и конфликты по поводу использования водных ресурсов, а тепловые электростанции потребляют гигантские объемы воды. На сегодняшний день существует единодушное мнение о том, что выбросы углекислого и других парниковых газов в результате человеческой деятельности оказывают сильное воздействие на изменение климата. За последние годы было построено много электростанций комбинированного цикла, работающих на природном газе, однако их использование осложняется высокими колебаниями цен на природный газ.

 

В настоящее время в энергетике США возникают серьезные проблемы сразу по нескольким направлениям. Это колебания и рост цен на природный газ, вопросы безопасности, возникшие вследствие увеличения объемов импортируемой нефти, а также аварийные отключения электричества, которые с конца 1990-х годов спонтанно происходили во многих регионах страны. С момента первого энергетического кризиса в 1973 году таких прорех в энергосистеме не возникало ни по совокупности, ни по синхронности.

 

Разрешение энергетических проблем не может быть простым или однозначным. Здесь необходимо согласование по многим аспектам: техническим, географическим, экономическим и политическим. Многие исследовательские организации, также как Институт проблем энергетики и окружающей среды (IEER), изучали эти вопросы Эффективность, в том числе норма пробега автомобилей, относится к числу таких решений. Другой ответ кроется в инфраструктуре ЛЭП. А поскольку речь идет об обеспечении спроса, то на первый план выдвигаются возобновляемые источники энергии.

 

В США до сих пор не выработана новая политика в области энергетики взамен той, что была в ходу при президенте Картере, если не считать энергетической политикой ситуацию, при которой крупным энергетическим компаниям разрешено обеспечивать любой спрос на энергию. Несмотря на проблемы и недостатки Плана развития энергетики, обнародованного специальной комиссией во главе с вице-президентом Чейни2, достоинство этого документа состоит в том, что он направил политические дебаты в первой половине 2001 года в русло национального обсуждения вопросов энергетики. Однако в силу различных причин, включая террористические атаки 11 сентября 2001 года, войну в Ираке и внутренние разногласия по вопросам энергетической политики, решение этих проблем зашло в тупик.

 

С точки зрения охраны окружающей среды использование ветроэнергетических ресурсов, доступных освоению в США (за исключением населенных районов, национальных парков и т.п.), может способствовать значительному сокращению выбросов парниковых газов, появляющихся вследствие применения ископаемого топлива, в сочетании с мерами по повышению энергоэффективности и другими методами. Кроме того использование энергии ветра может оказать положительный эффект на охрану водных ресурсов.

 

Наряду с другими упомянутыми источниками ветроэлектрическая энергия, вероятно, играет самую важную роль в краткосрочной и среднесрочной перспективе, поскольку ее затраты значительно снизились и сегодня в целом сопоставимы с производством обычной энергии (даже не принимая в расчет затраты, связанные с изменением климата или распространением атомной энергии). Ветроэнергетические ресурсы США очень велики - это примерно два с половиной объема всего производства электроэнергии США без учета морских ресурсов. Годовой потенциал энергии ветра США сопоставим по масштабам со всей нефтедобычей стран-членов ОПЕК.

 

Существует изрядное количество литературы по затратам на ветровую энергию. Последнее изучение этого вопроса было проведено IEER совместно со специалистами по статистике университета Калифорния-Беркли (University of California-Berkeley) Питером Бикелем (Peter Bickel) и Эйю Ченом (Aiyou Chen). Это исследование дополнило существующие труды анализом ценообразования ветроэлектрической энергии с учетом непредсказуемости потенциальной скорости ветра. В отчете Товарная культура на ветряной ферме , в котором исследуется благоприятный ветровой район штата Нью-Мексико, рассматривается возможность влияния прогнозов скорости ветра, охраны водных ресурсов, снижения колебаний цен на природный газ, а также сокращения выбросов углекислого газа на повышение значимости ветроэнергетики.

 

Однако ветер не всегда предсказуем. Сопутствующие этому явлению затраты играют основную роль в определении стоимости ветроэлектрической энергии для ее потребителей.

 

За последние пятнадцать лет экономическую жизнеспособность обрел новый богатый источник энергии - ветер. Мировые наземные ветроэнергетические ресурсы в несколько раз превышают все мировые объемы производства электричества. А потенциал морских и океанических ресурсов может быть еще выше.

 

Потенциал ветра

 

Таблица 1: Материальная база по ветроресурсам в 12 благоприятных ветровых штатах (граничащие штаты)

 

США щедро наделены энергией ветра в зонах, доступных для освоения. Двенадцать основных ветровых штатов (из менее благоприятных 4 с сильной ветровой энергетикой в районах с большими фермами и обширными земельными угодьями, которые подходят для возведения ветротурбин, обладают общим потенциалом энергии примерно в 10 миллиардов мегаватт в час (мгвт/ч). Это приблизительно в 2,6 раза больше общего объема производства энергии в США. На таблице 1 (ниже) представлены подробные результаты исследований в двенадцати штатах. Оффшорные ветроресурсы не включены.

 

Отчет Assessment of the Available Windy Land Area and Wind Energy Potential in the Contiguous United States, Северо-западная тихоокеанская лаборатория (Pacific Northwest Laboratory), 1991г., на который ссылается Американская ассоциация по ветроэнергетике.
Примечания:
(а) Производство электричества за 2003 год = 3846 миллиардов кВт-ч (киловатт-час). Источник Информационного исполкома по вопросам энергии (EIA - Energy Information Administration).
(б) Совокупные показатели по взаимосвязанным регионам имеют приблизительное значение, поскольку эти территории не совпадают целиком с границами штатов. Совет штата Техас по электроснабжению (Electric Reliability Council of Texas) охватывает большую часть штата Техас, за исключением узкой полосы штата между двумя другими территориями. Передача электроэнергии в настоящее время координируется внутри регионов Интерконнект (Interconnect regions).

 

Штат Годовой потенциал производства электричества, в миллиардах киловатт-час электроэнергии (кВт-ч/э) Соответствующая доля общего производства электричества в США за 2003 годa Северная Дакота 1,210 31.5 Техас 1,190 30.8 Канзас 1,070 27.8 Южная Дакота 1,030 26.8 Монтана 1,020 26.5 Небраска 868 22.6 Вайоминг 747 19.4 Оклахома 725 18.9 Миннесота 657 17.1 Айова 551 14.3 Колорадо 481 12.5 Нью-Мексико 435 11.3 Общий итог по 12 штатам 9,984 259.6 Итого по региону Совета ERCOT (штат Техас), главным образом энергосеть штата Техас ~1,000б Итого по региону Вестерн Интерконнект, примерно в пределах линии Север-Юг Монтана-Нью-Мексико ~3,000б Итого по региону Истерн Интерконнект, охватывая остальные 48 менее благоприятных штатов (т.е. включая штаты на Востоке, Юге и Среднем Западе) ~6,000б

 

В 2002, а затем в 2003 году прирост ветровых мощностей в Европе был примерно равен объему всей установленной мощности в США, где энергия ветра обеспечивает менее 0,5% спроса на электричество. На сегодняшний день очевидно разительное несоответствие между низким уровнем использования энергии ветра и огромным потенциалом США с точки зрения экономики, окружающей среды и безопасности.

 

За последние годы ветроэнергетика начала продвигаться быстрыми темпами. Это самый быстроразвивающийся источник электричества. При этом задействована незначительная база. Общая установленная ветровая мощность в США к концу 2003 года составляла 6 370 МВт. Это намного меньше показателя Евросоюза на конец 2003 года - 28 440 МВт, который эквивалентен объемам потребления электричества 35 миллионами жителей ЕС (2,4% от общего потребления электричества в ЕС).

 

Определение цены ветра

 

Когда речь идет о ветроэнергетике, разница между обещанным и действительным обусловлена сразу несколькими причинами. Это и отсутствие адекватной инфраструктуры ЛЭП, и несбалансированные нормы передачи энергии и включения энергии ветра в электроэнергетический рынок, и несовершенная структура ценообразования ветроэлектричества. Остановимся на последнем.

 

Как правило, соглашения о закупке энергии обеспечивают менее высокую прибыль, по сравнению с той, что сулит рынок. Иными словами, цена за ветроэлектричество была бы гораздо выше, если бы рынок обеспечивал равные возможности. Кроме того соглашения о закупке энергии, как правило, приносят компаниям-производителям прибыль, которая ниже затрат на производство энергии. В результате структура ценообразования сегодня либо затрудняет, либо не позволяет компаниям-производителям ветровой энергии получать финансирование на ВЭУ, не считая налогового кредита.

 

Цена ветровой энергии, получаемой с ветряных ферм, основана на ее стоимости, рассчитываемой закупщиками. Исходя из действующих расчетов для определения цены, компании-производители ветровой энергии зачастую не в состоянии покрывать затраты за счет выручки от продажи электроэнергии. Затраты на производство ветроэлектричества даже в оптимальных ветровых районах значительно выше цен, по которым производители реализуют ветровую энергию. Существующую разницу покрывает федеральная субсидия, (известна как налоговый кредит на производство энергии)4, а некоторые штаты предоставляют собственные налоговые льготы. По окончании срока федеральных налоговых льгот, как это было 31 декабря 2003 года, разработка новых крупномасштабных проектов по ветроэнергетике может прекратиться. В целом 2004 год пока потерян для крупномасштабного освоения ветроэнергетики в США. Это губительно сказывается на этой отрасли, окружающей среде и безопасности.

 

Основная техническая задача исследований IEER состояла в разработке метода расчета фактической стоимости энергии ветра, которая позволит компаниям-производителям усовершенствовать ценовую политику исходя из предельных альтернативных затрат и типовых соглашений о закупке энергии крупных ветряных ферм.

 

Налоговые льготы на производство ветровой энергии имеют серьезную поддержку в конгрессе США и внесены в обсуждаемый законопроект по производству энергии. Однако перспективы его принятия на момент написания этой статьи туманны, поскольку данный законопроект изобилует дорогостоящими и спорными субсидиями для ископаемого топлива и атомной энергетики при текущем высоком дефиците федерального бюджета. В таких штатах, как Нью-Мексико, налоговые льготы на уровне штата способны лишь частично покрывать разницу. Это может оказаться достаточным для возмещения затрат в наилучших ветровых зонах. Когда же речь идет о темпах развития ветроэнергетики США, то неопределенность с налоговым кредитом становится камнем преткновения при решении возникающих проблем.

 

Исходя из сказанного, типичная полная альтернативная себестоимость для станций базовых нагрузок, работающих на угле, составляет примерно 40 долларов за мгвт/ч. Цены на электричество атомных электростанций менее устойчивы, поскольку наблюдается значительный разброс в капитальных затратах, преобладающих в общей себестоимости. Полная альтернативная себестоимость атомной энергии варьируется от 40 до 70 долларов за мгвт/ч с учетом капитальных затрат. Для электростанций комбинированного цикла, которые работают на природном газе и также используются в качестве станций базовых нагрузок (хотя предпочтение отдается уже возведенным установкам, работающим на угле или атомным станциям), полная альтернативная себестоимость составляет от 30 до 50 долларов или выше. Эта себестоимость формируется в основном за счет топлива, которое превалирует в структуре стоимости по ценам выше затрат на природный газ на уровне 3 долларов за миллион британских тепловых единиц (Btu). Цена спотового рынка за миллион Btu в июле 2004 года составляла примерно 5,5 доллара, так что полная альтернативная себестоимость электростанций комбинированного цикла, работающих на природном газе, составляла примерно 50 долларов за мгвт/ч. Эти издержки кратко представлены в таблице ниже.

 

Компания-производитель ветровой энергии, способная продавать необходимый объем электричества и таким образом предотвратить возведение новой электростанции, могла бы в принципе привести доводы в пользу оплаты полного объема затрат, которые понесла бы энергетическая компания, развернув строительство электростанции. Такая стоимость называется полной альтернативной стоимостью. Это общая себестоимость производства единицы электричества, в том числе капитальные и прочие фиксированные затраты, а также переменные издержки и эксплуатационные расходы.

 

Такие полные альтернативные затраты необходимо рассматривать с учетом возможности данных установок обеспечивать запланированные объемы электроэнергии, иными словами, с учетом тех генерирующих мощностей, которые операторы независимых систем могут задействовать заблаговременно (не принимая в расчет непредвиденные и внеплановые простои, которые случаются относительно редко). Энергия ветра не может иметь полных альтернативных затрат, поскольку она скачкообразна и довольно непредсказуема. О ветроэнергетике говорят так: не подлежит распределению 5.

 

Тип установок Полные альтернативные затраты, мгвт/ч Угольные ТЭС Около 40 долларов АЭС От 40 до 70 долларов Станции комбинированного цикла, работающие на природном газе От 30 до 50 долларов или более (в настоящее время примерно 50 долларов)

 

Однако ветер не так уж непредсказуем. Потенциальную ветровую энергию можно прогнозировать с определенной степенью достоверности.

 

Прогнозирование ветра

 

Например, абсолютно невозможно предсказать среднюю скорость ветра на год или даже на месяц в определенный час в будущем. Колебания вокруг среднего значения, как правило, очень высоки. Однако нередко с приемлемой степенью достоверности можно подсчитать среднюю скорость ветра, скажем, в июле в часы пиковых нагрузок (c 6 утра до 10 вечера) и в остальные часы слабого спроса на энергию (с 10 вечера до 6 утра), за данный месяц при наличии сводки данных о скорости ветра за несколько лет.

 

Характер прогнозирования зависит от следующих факторов:
период, на который прогнозируется скорость ветра;
общий период времени, на который составляется прогноз скорости ветра;
желаемая степень достоверности прогноза, то есть допустимого диапазона погрешностей (с недооценкой или переоценкой), который зависит от стоимости ошибок при прогнозировании;
объем данных о скорости ветра за истекшее время.

 

Основным определяющим фактором экономической привлекательности потенциальной ветровой энергии является степень точности, с которой можно составлять прогноз. Совершенствование прогнозов может способствовать снижению ошибок и, соответственно, себестоимости расширения ветровых мощностей в энергосистеме с учетом определенной степени завоевания ими рынка.

 

Аналогичным образом, поскольку существует некая взаимосвязь между скоростью ветра на данный и на предыдущий час, мы можем с некоторой долей уверенности рассчитать образование скорости ветра на следующий час (хотя существенных погрешностей все же время от времени не избежать).

 

Статистическая модель, где предложена единственно приемлемая стратегия по оптимизации продаж на спотовом рынке, была разработана для исследовательских целей IEER. Эта модель подробно изложена в разделе Модель ниже (для всех знатоков эконометрики, так же ищущих истину, как мы).

 

Для поставщика ветровой энергии статистическая задача заключается в разработке оптимальной стратегии по продаже энергии за час или за день. Какой объем энергии ветра следует выставить на продажу, учитывая непредсказуемость потенциальной скорости ветра?

 

Можно также рассматривать сезонные соглашения о поставке ветровой энергии. Скорость ветра гораздо хуже поддается точному прогнозированию за день, нежели усредненная скорость ветра за весь сезон или большую часть сезона, поскольку сезонные погодные явления имеют более предсказуемый характер. Если в соглашении рассматривается общий сезонный период, себестоимость производства ветроэлектричества, которая предварительно оговорена контрактом (например, себестоимость производства для продавца ветровой энергии в безветренные дни, когда ожидался ветер) будут низкими потому, что у продавца есть отличная возможность поставить покупателю обещанные объемы энергии за сезон. Далее. Недопоставку энергии за сезон можно компенсировать закупкой электричества на спотовом рынке в подходящее для этого время. Сезонные соглашения особенно выгодны тогда, когда производитель ветровой энергии предлагает ее взамен дорогостоящему производству с использованием природного газа в период летнего или зимнего максимального спроса.

 

Поскольку ветер поддается прогнозированию максимум за час или за день, его можно предложить на продажу заблаговременно. Поскольку продавец не может гарантировать поставку всего объема энергии ветра, он должен быть готов компенсировать покупателю недостачу. В разделе Модель рассматривается ситуация, при которой продавец и покупатель могли бы заключить приемлемое соглашение. При таком соглашении покупатель не потерял бы электроэнергию в случае ее недопоставки, поскольку все участники договора получают электричество из единой энергосистемы. Покупатель мог бы закупать некоторые объемы энергии у другой энергосистемы и получать оттуда счета к оплате. Это финансовые сделки.

 

Мы выбрали район, позволивший нам сосредоточиться на основной проблеме, которую мы принялись решать: это оценка того, насколько стоимость ветроэлектричества способна покрывать и перекрывать предельные альтернативные издержки.

 

Область изучения: благоприятный ветровой район штата Нью-Мексико

 

Последний фактор рассматривается, поскольку политика штата способна существенно стимулировать развитие ветроэнергетики, особенно с учетом серьезной неопределенности в политике федеральной. Этот район, где находится гипотетическая ветряная ферма, расположен в городе Сан-Хуан, зона 604, штат Нью-Мексико.

 

Таким образом, мы выбрали зону, где есть:
активные ветры;
коридоры и инфраструктура ЛЭП (без оценки ее фактического состояния, поскольку это скорее методологическое исследование, а не анализ, имеющий целью фактическое развитие конкретного района);
дорожная и железнодорожная инфраструктура;
правительство штата, поддерживающее развитие ветроэнергетики.

 

На диаграмме 1 представлена цена реализации, себестоимость, а также цена реализации плюс налоговый кредит на производство энергии штата Нью-Мексико в размере 10 долларов за мгвт/ч. С налоговым кредитом на производство энергии штата Нью-Мексико цена реализации немного ниже средних издержек. Это значит, что в рассмотренном примере продажа ветровой энергии на спотовом рынке и налоговый кредит штата Нью-Мексико, без федерального налогового кредита (на данный момент истекшего), способны покрыть почти всю себестоимость производства ветровой энергии.

 

Учитывая объем продаж на спотовом рынке, предположим, что реализация энергии происходит в центре Фо Конерс (Four Corners), расположенном в северо-западном штате Нью-Мексико, при этом мы располагаем данными спотового рынка за 2003 год. Полная себестоимость ветроэлектричества, поставленного в центр Фо Конерс , где электроэнергия реализуется, составляет 44 доллара за мгвт/ч.

 

Предполагаемые цены реализации от спотовой продажи ветроэлектричества за час в центре Фо Конерс , информация о ценах за 2003 год, информация о ветровой энергии за 2000 и 2001 гг. PTC (Production tax credit) - налоговый кредит на производство энергии.

 

Диаграмма 1: Цена реализации ветровой энергии на спотовом рынке с учетом и без учета налогового кредита на производство энергии штата Нью-Мексико

 

Это свидетельствует о том, что развитие ветроэнергетики все же возможно даже при отсутствии федерального налогового кредита на производство в условиях существования развитых спотовых рынков. Как мы убедились, пока Фо Конерс не является таким рынком. Далее мы рассмотрим продажи ветровой энергии в ситуации, когда есть крупный коммерческий заказчик в штате Нью-Мексико - это фирма Чино Билдинг (Chino Building) из города Санта-Фе, которая регулирует продажи.

 

Мы могли бы кратко описать ситуацию с Фо Конерс следующим образом. Хотя Фо Конерс передает большие объемы энергии, производимой в этой зоне (при действующей электростанции с мощностью в несколько тысяч мегаватт), а также с учетом энергии, которая проходит через этот рынок, почти вся энергия продается по долгосрочным соглашениям между индивидуальными покупателями или продавцами, которые попросту используют коридор ЛЭП вместо того, чтобы продавать эту энергию на спотовом рынке. Фо Конерс не может служить центром крупных спотовых продаж ветроэлектричества в отсутствие гораздо более развитого спотового рынка, то есть пока объемы почасовых продаж не будут значительно увеличены.

 

Кривые на диаграмме 2 показывают предположительную покупку энергии Чино Билдинг у ветряной фермы, расположенной в Нью-Мексико Сайт 60 Предположим, что среднемесячные коэффициенты использования мощностей с июля 1999 года по июнь 2001 года (отмеченные кружками) - это значения по ветряной ферме за год, на который мы производим расчеты. Для наглядного примера предположим, что соглашение с ВЭУ будет подготовлено таким образом, что ветряная ферма обязуется поставлять половину всего годового объема электричества, которое потребляет Чино Билдинг , по графику поставок, который соответствует ежемесячным коэффициентам использования производственных мощностей такой ВЭУ. То есть, операторы Чино Билдинг закупают больший объем электричества в месяцы, когда ветроэлектричества генерируется больше, и наоборот. Закупленная у других продавцов энергия компенсирует разницу.

 

Власти штата Нью-Мексико используют здание Чино Билдинг под офисы. Сотрудник, отвечающий в нем за коммунальные услуги, предоставил нам подробную информацию о потреблении электричества за 2003 год и соответствующие цены на него.

 

Спрос на энергию для здания Чино Билдинг в городе Санта-Фе в штате Нью-Мексико (отмечен треугольниками), предполагаемые закупки энергии у ветряной фермы мощностью 188 кВт, расположенной в 604 зоне (отмечены кружками), а также энергия, закупленная у других источников (квадраты). Средняя мощность ветровой энергии, приобретенной за год, соответствует 50% общего годового спроса.

 

Диаграмма 2: Соотношение спроса на энергию и предложения ветровой энергии и энергии, закупленной из других источников (Сайт 60

 

В этом случае себестоимость коммунального электричества для офисов, размещенных в Чино Билдинг не увеличилась бы в цене, даже если половина этого электричества поставлялась бы ветряными фермами. При этом можно обойтись без субсидирования налоговых кредитов на производство энергии.

 

Схема ветровой энергии в данной зоне не совсем соответствует потребностям здания Чино Билдинг , поскольку она имеет высокий коэффициент использования мощностей в апреле, в период низкого спроса на энергию. При таких обстоятельствах пользователь может ожидать дополнительной платы за мощность. Плата за мощность - это платежи, взимаемые энергетической компанией с потребителя за использование электроэнергии в период пиковой нагрузки. Это соответствует уровню потребления пиковой мощности, как, например, в случае с потребляемой мощностью двигателя при подъеме автомобиля в гору.

 

Сокращение выбросов парниковых газов

 

Если предположить, что мощность ветрового электричества абсолютно непредсказуема, то есть, если кредит на установленную мощность не предусматривается, тогда увеличение тарифов на электроэнергию будет незначительным (менее одного процента). Если кредит достигал бы 80% (очень высокий верхний предел кредитования), то чистые сбережения составляли бы около двух процентов.

 

В первом приближении сокращение на 50% мощностей, закупленных у другой энергосистемы, также способствовало бы сокращению примерно на 50% выбросов парниковых газов, поскольку производством электроэнергии в Нью-Мексико занимаются преимущественно электростанции, работающие на угле. По более точному расчету процент таких сокращений может оказаться ниже или выше, в зависимости от структуры топлива, поступающего для здания Чино Билдинг в разное время года. Если ветроэлектричество на какое-то время заменит атомную энергию АЭС, и при этом увеличится соответствующая доля производства на основе ископаемого топлива в структуре закупаемой энергии, то сокращение выбросов СО2 составит менее 50%. Если ветроэлектричество преимущественно заменит угольную энергию и увеличит долю производства энергии ГЭС и АЭС, тогда снижение выбросов составит более 50%. Так или иначе, это был бы очень хороший результат и в процентном соотношении даже значительно превысил требования Киотского протокола, которые необходимо выполнить примерно к 2010 году.

 

У энергии ветра существует ряд других ощутимых преимуществ. К примеру, штат Нью-Мексико мог бы примерно на 50% снизить выбросы углекислого газа (СО , возникающего в связи с поставкой электричества в здание Чино Билдинг , а также обеспечить незначительное повышение тарифов на электроэнергию в нем.

 

Замена природного газа

 

Если бы кредиты за снижение выбросов СО2 имели в США такое же широкое хождение, как и в Европе, стоимость сокращения выбросов СО2 в случае замены угольных электростанций составляла бы от 2,25 до 4,50 доллара за мгвт/ч, а в случае вытеснения газовых установок комбинированного цикла - от 0,75 до1,50 доллара.

 

Это может дать несколько различных экономических преимуществ:
энергетической компании, обладающей установкой комбинированного цикла, работающей на природном газе, было бы выгодно высвободить часть природного газа за счет ветроэлектричества;
ветровая энергия могла бы заменить одноступенчатые пиковые газовые турбины, которые обычно задействованы только несколько сотен часов в год;
ветровая мощность могла бы обеспечить своеобразную защиту от повышения цен на природный газ;
высокая степень проникновения ветровой энергии в энергосистему способствовала бы высвобождению достаточных объемов природного газа и стабилизации цен;
с помощью энергии ветра, в сочетании с повышением эффективности систем отопления и вентиляции (особенно в подземных теплонасосных установках), можно было бы заменить большие объемы природного газа в долгосрочном плане, что, в свою очередь, способствовало бы частичному отказу от использования нефти в транспортных средствах и переходу на природный газ.

 

Такие факторы, как высокие цены на природный газ и их колебания, длительные процессы подготовки и строительства газовой инфраструктуры, а также вопросы безопасности, связанные с ввозом сжиженного природного газа, усилили вероятность того, что благодаря использованию энергии ветра можно частично отказаться от природного газа, который в настоящее время используется на электростанциях.

 

Одноступенчатые турбины способны обеспечить недорогой резерв мощностей для ветровой энергии. Газотурбинные установки достаточно дешевые при дорогостоящем газе, так что можно было бы платить за неиспользуемые установки и использовать генерирующие ветровые установки, запуская газовые турбины, если ветер неожиданно ослабевает. В связи с этим, развитие ветроэнергетики может точно предусматривать замену природного газа во время пиковых нагрузок в одноступенчатых газовых турбинах, предварительно оговаривая это в контрактах. Альтернативные затраты только на генерирование и техническое обслуживание составляют около 60 долларов за мгвт/ч. Это также в некоторой степени экономично для энергоустановок комбинированного цикла, где альтернативные затраты при текущих расценках на природный газ составляют примерно 50 долларов за мгвт/ч.

 

Поскольку на сегодняшний день ветроэлектричество гораздо лучше одноступенчатых газовых турбин, его использование в периоды пиковых нагрузок можно объединить с работой существующих одноступенчатых турбин, работающих в резервном режиме для поддержки ветровой мощности. Это был бы недорогой способ получения кредита на увеличение ветровых мощностей, поскольку он не требует наращивания новых газотурбинных мощностей.

 

Географическое распределение ветряных ферм

 

За несколько лет стоимость ветроэлектричества, обеспечивающая своеобразную защиту от колебаний в ценах на природный газ, могла бы составлять несколько долларов за мгвт/ч.

 

Включение топливных элементов

 

Кредитование мощностей можно также увеличивать за счет географического распределения и прочной системы магистральных ЛЭП. Большие расстояния между зонами с высоким ветровым потенциалом могут принести ряд значительных преимуществ с точки зрения экономики и надежности. В Европейских научных исследованиях6 изучена корреляция ветров, а также их влияние на энергосистему. Эти исследования показали, что при существенном географическом разбросе и системе магистральных ЛЭП, соединяющей ВЭУ (в данном случае изучалась высоковольтная линия передачи постоянного тока), ветровая мощность может быть надежно интегрирована в энергосистему. Иными словами, географическое рассредоточение ветряных ферм повышает вероятность того, что ветер будет дуть в одной зоне при отсутствии его в другой. В этом смысле дальнейшее освоение ветровой энергии, образующейся на больших расстояниях и соединенной прочной системой магистральных ЛЭП, может снизить необходимость в резервных мощностях.

 

Включение топливных элементов значительно увеличит затраты системы не только из-за высокой стоимости этих элементов, но и в силу потерь энергии, связанных с генерированием водорода из электричества, а затем электричества из водорода. Такие потери энергии увеличивают установленную мощность ветровой энергии, которая необходима для обеспечения определенной нагрузки, как в случае с Чино Билдинг .

 

Топливные элементы способны обеспечить эффективное использование потребителем ветровой энергии, а также открыть возможности по оптимизации себестоимости энергии, например, можно запустить их на полную мощность в периоды пиковой нагрузки и пополнить запасы водорода в часы слабого спроса на энергию.

 

Наш анализ показывает, что в настоящее время широкомасштабное включение топливных элементов в электроэнергетическую систему не выгодно. Однако существуют преимущества в проведении такой политики, которая поможет сделать использование возобновляемых источников энергии в зданиях выгодным и тем самым отказаться от использования природного газа для отопления помещений и водяного обогрева. Это дало бы возможность высвободить природный газ и применять его в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, отказаться от импортной нефти, тем самым улучшая безопасность и сокращая выбросы СО2 . Применение топливных элементов может сыграть значительную роль в создании подобной энергосистемы.

 

Для того, чтобы определить затраты такой системы, мы предположили, что капитальные затраты на топливные элементы составили 4 миллиона долларов за мгвт, включая запас водорода на несколько дней, а также гальванические элементы, необходимые для выработки водорода. При таких условиях затраты на обеспечение энергией здания Чино Билдинг сразу увеличиваются более чем на одну треть на производство ветроэлектрической энергии из Сайт 604.

 

Комплексное планирование всей энергосистемы, при котором ветровая энергия частично заменяла бы использование природного газа для выработки электричества, способствовало бы переходу США к новой энергосистеме, выбрасывающей намного меньше углекислого газа, гораздо меньше загрязняющей атмосферу и значительно сокращающей импорт нефти.

 

Энергосистема будущего

 

Несомненно, подобный проект требует крупных инвестиций. Мы не проводили подробный анализ осуществимости проекта, который оптимизировал бы различные факторы. Однако наше исследование о распределении электричества в здании Чино Билдинг , не включающее оптимизацию стоимости, показывает, что цена выполнения таких задач, в том числе по снижению в зданиях выбросов парниковых газов примерно на 50%, была бы скромной и составляла бы лишь какую-то часть от сегодняшней себестоимости услуг энергетического сектора, таких как отопление, охлаждение и освещение.

 

Сочетание различных элементов в энергосистеме - ветра, топливных элементов, эффективности подземных теплонасосных установок, а также применение природного газа в автомобилях - позволит значительно сократить использование природного газа для отопления помещений и водяного обогрева в коммерческом секторе, высвободив его для автомобильной отрасли Даже один процент природного газа, высвобожденного от отопления коммерческого сектора для использования его на транспорте, сократил бы потребление 80 миллионов галлонов бензина в год, что равноценно годовому съеданию бензина 100.000 автомобилей. Соответственно, это привело бы к сокращению выбросов СО2 более чем на 300.000 метрических тонн в год, а также снижению уровня загрязнения воздуха в городах, укреплению национальной безопасности благодаря снижению импорта нефти.

 

В данном случае продавец предлагает на продажу электричество по средней цене, преобладающей на спотовом рынке, за определенный период времени (за час или день), а также в случае недовыработки энергии возмещает ее покупателю по максимальной цене за такой же период времени. План продавца по оптимизации расчетов объемов ветроэлектричества, ожидаемых к поставке, основан на соотношении средней и максимальной цены. Если это соотношение близко к единице, то продавец предлагает на продажу большой объем энергии ветра, поскольку при погрешности ее стоимость будет низкой. Если это соотношение гораздо меньше единицы, то продавец предлагает небольшой объем энергии, поскольку тогда себестоимость в случае ошибок будет высокой.

 

Профессор Питер Бикель (Peter Bickel) разработал статистическую модель для анализа себестоимости периодической выработки ветровой энергии за день или за час. При этом предполагается, что развитый рынок сформировался, и покупателям обеспечено гарантированное предложение. Независимый оператор ВЭУ предлагает на продажу электричество за день или за час. Предположим, что прибыль, полученная от этих продаж, это средняя цена на спотовом рынке за данный период времени. Допустим, что любые недопоставки энергии компенсируются закупкой электричества по максимальной спотовой цене за тот же период времени. Наконец предположим, что ВЭУ включена в энергосистему, которая хорошо регулируется и способна обеспечить достаточный запас мощностей. Стоимость недопоставки энергии в рамках выполнения обязательств по таким соглашениям возмещалась бы закупщику сразу после факта недостачи. В настоящем проекте модели мы не рассматриваем случаи избыточного производства энергии. Исходя из этих предположений, возможна доработка модели и создания на ее основе оптимальной стратегии по организации продаж ветровой энергии за час или за день.

 

Фо Конерс (Four Corners) - один из крупнейших центров по экспорту электричества, который расположен на западе штата Нью-Мексико. Поскольку мы не располагаем данными о ветровых прогнозах за большой промежуток времени, для наглядного примера предположим, что информация о ветре за определенный период времени носит репрезентативный характер и не повлияет на основные количественные результаты представленной здесь информации.

 

Мы хотим изучить значение предыдущих прогнозов скорости ветра или производства энергии для валового дохода от продаж ветровой энергии, ожидаемого энергетической компанией.

 

Показав эту модель в работе, ее можно соответственно применить для ежедневного, почасового прогнозирования производства ветровой энергии в течение установленного срока, скажем, за апрель 2000 года. В этом случае выработка энергии на 2 апреля будет исходить из ее выработки 1 апреля. Тогда выполнение обязательств по продажам будет основано на максимальных и средних спотовых ценах на энергию, прогнозируемую за день (или за час). Наконец общая прибыль за месяц рассчитывается с помощью суммирования дней и, соответственно, часов этого месяца. Эти цифры не включают подсчет прибыли за избыточное производство энергии (т.е. объемы энергии сверх предусмотренных на продажу по обязательствам).

 

Технически модель построена таким образом, что оператор ветряной фермы может предложить на продажу некоторый объем электроэнергии заблаговременно, основываясь при этом на ожидаемом объеме производства ветровой энергии на будущий период времени, когда производится поставка, а также имея в виду ее себестоимость в случае неполной поставки. Любые недопоставки энергии компенсируются за счет ее закупки у единой энергосистемы. Такая техническая структура требует заключения предварительного соглашения о том, что оператор ВЭУ обязуется приобрести электричество энергосистемы у любой другой организации, у которой либо имеется избыточная мощность в оперативном режиме, либо поддерживается резерв вращения. Такое соглашение для системного оператора ВЭУ является своеобразной гарантией того, что он сможет выполнить свои обязательства по продажам, даже если запланированная энергия ветра не будет выработана.

 

 

Результаты вычисления по этой модели дают возможность определить смету чистых доходов, ожидаемых от ветряной фермы при продаже объемов энергии на спотовом рынке по схеме за день или за час. С помощью этой модели также можно рассчитать себестоимость периодической выработки ветровой энергии для системного оператора ВЭУ и, следовательно, указать стоимость на основе более точного прогноза ветра.Источники
Статья основана на отчете Арджуна Макхиджани и др, , подготовленном на североамериканском энергетическом саммите Ассоциации западных губернаторов, который состоялся 15-16 апреля, 2004 года в г. Альбукерке, штат Нью-Мексико. Ссылки даны в отчете.
Критическую статью об этом см. в бюллетене , 2001 г.
См. доклад Арджуна Макхиджани (Securing the Energy Future of the United States: Oil, Nuclear, and Electricity Vulnerabilities and a post-September 11, 2001 Roadmap for Action), Институт энергетики и окружающей среды, Такома Парк, штат Мэриленд, США, ноябрь 2001 года.
В 2003 году этот кредит составлял 1,8 цента за киловатт-час (это 18 долларов за мгвт/ч); кредит предоставляется в течение первых десяти лет после ввода в эксплуатацию ВЭУ, после чего его выделение прекращается.
Для электроэнергетических систем требуется распределяемая мощность, при которой генерирующая установка может реагировать на изменения в нагрузке от нескольких минут до нескольких часов. Установки базовой нагрузки способны генерировать электричество круглые сутки, семь дней в неделю. Поскольку ветер не может дуть постоянно, он не способен обеспечивать работу базовой нагрузки.
Грегор Гибель (Gregor Giebel), Нильс Джиллинг Мортенсен (Niels Gylling Mortensen) и Грегор Чиш (Gregor Czisch), , дата неизвестна, скорее всего опубликованный в 2003 г. Также включена презентация статьи от организации Power Point на Международной энергетической конференции , которая состоялась в Национальной лаборатории Рисо (Riso National Laboratory) в Дании 19-21 мая 2003 г.
Мы еще подробно не изучали вопрос о замещении солнечных фотогальванических элементов или включения их в подобную энергосистему. В пустынных зонах солнечные элементы могут служить дополнением к энергии ветра, особенно при слабой скорости ветра в периоды пиковых нагрузок в системе.

 

 

ПЯТЬ ШАГОВ К ТЕПЛУ И СВЕТУ. Энергетическая стратегия - Украи. Украинские металлурги решительно. Между газом и коксом. Взрывы метана и закрытие последней вмире угольной шахты.

 

Главная >  Потенциал энергии 

0.0222