Основа енергетичного переходу: як газові електростанції можуть скоротити розрив

Перехід до сталих, але періодичних відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) змінив вимоги до керованих традиційних електростанцій: від пропозиції, орієнтованої на попит, до створення «стійкого хребта», що поєднує періодичне виробництво електроенергії з ВДЕ та попитом з більшою гнучкістю.

Зрілі, індустріалізовані країни мають спадщину великих керованих електростанцій, які забезпечують надійне постачання на основі добре налагодженої інфраструктури.

У минулому «базова конфігурація» енергетичної системи характеризувалася традиційними великомасштабними централізованими електростанціями, що забезпечували базову потужність, доповненою турбінами природного газу з піковим навантаженням для покриття попиту в будь-який момент часу. Ця «традиційна» система базувалася на таких ключових принципах:

1. Попит є дуже передбачуваним (наприклад, стандартні профілі навантаження, які здебільшого застосовуються для широкого спектра споживачів).
2. Встановлених керованих джерел живлення достатньо для покриття попиту в будь-який момент часу (включно з піками).
3. Мережі передачі та розподілу спроєктовані та розміровані для транспортування електроенергії з центральних електростанцій з метою надійного задоволення регіонального попиту.

Починається нова ера: енергетичні системи трансформуються

Енергетичні системи трансформуються до сталого розвитку, дедалі більше використовуючи періодичні та децентралізовані відновлювані джерела енергії.

Однак енергетична система трансформується у напрямку сталого розвитку з метою подолання викликів, пов'язаних зі зміною клімату. Встановлюється все більше розподілених, періодичних відновлюваних потужностей, що змінює вимоги до керованих традиційних електростанцій. З точки зору виробництва електроенергії, звичайні електростанції, наприклад, мають відповідати на попит у триваліші періоди поганої погоди з хмарним небом і слабким вітром, коли відновлювані джерела можуть внести лише меншу частку.

Тим часом змінюються й моделі споживання. Електрифікація транспорту та опалення зростає останніми роками. Загальний попит і пікове навантаження суттєво змінилися за останні 20 років. Між 2015 і 2023 роками попит на електроенергію в Німеччині становив близько 460–500 ТВт·год на рік, з деяким зниженням тенденції останніми роками. Однак, залежно від частки водню, темпів прямої електрифікації та підвищення ефективності в майбутньому, очікується, що попит на електроенергію в Європі подвоїться або навіть потроїться між теперішнім часом і 2045 роком.

Крім того, у мережах з великою кількістю домашніх сонячних систем (з акумулятором і без них) споживачі можуть бути самодостатніми і все одно отримувати електроенергію з мережі у певні години або в погану погоду. Традиційне виробництво електроенергії все ще має покривати ці події, коли великі системи зберігання більше не є альтернативою через обмежену ємність.

Хоча технології спалювання раніше були серцем енергетичної системи, тепер вони стають ключовим чинником, заповнюючи розрив між попитом і виробництвом відновлюваної енергії. Відповідно, вони сприяють кращій інтеграції переривчастих ВДЕ у енергетичну систему, що ще більше прискорює енергетичний перехід.

Однак створення нових періодичних відновлюваних джерел енергії має свої виклики. Велика залежність від вітрової та сонячної енергії призводить до масштабного будівництва потужностей, що вимагає великих територій для захоплення якомога більшої кількості енергії. Точка генерації та попит у цих сферах, як правило, суттєво різняться.

Великі відновлювані електростанції зазвичай розташовані далеко від регіонів з високим попитом. Відповідно, електроенергія має доставлятися до точки попиту, оскільки застаріла інфраструктура передачі та розподілу важко інтегрується та має більшу частку відновлюваних джерел. Наприклад, наявність ресурсів означає, що потужності з виробництва вітрової енергетики переважно розташовані на півночі Німеччини, тоді як більшість важкої промисловості — на заході та півдні країни. Внаслідок цього електроенергія має доставлятися до цих місць, що створює необхідність розширення мережі передач, що, у свою чергу, вимагає значних інвестицій для покриття кінцевим споживачем, а також займає роки планування та будівництва. Наприклад, тривалий термін затвердження та опір з боку населення роблять процес млявим, а будівництво та розширення електромережі часто відстають від змін навантаження та моделей генерації.

Якщо мережа не здатна впоратися з усією поданою енергією, відновлювана генерація може бути перерозподілена, тоді як звичайні електростанції в районах з високим навантаженням наростають. Це означає, що відновлювані електростанції змушені зменшувати свою продуктивність у відповідь на обмеження мережі, тоді як звичайні розподілені потужності, що працюють незалежно від погодних умов у регіонах з високим навантаженням, можуть бути альтернативним рішенням для покриття недоліків відновлюваних джерел і пікових навантажень, доки інфраструктура не буде покращена і/або місцева генерація ВДЕ не наздожене, що зменшить потребу у транспортуванні енергії ВДЕ на великі відстані.

Майте на увазі і закривайте розрив: газові електростанції скорочують розрив

Німецький уряд опублікував свою стратегію Kraftwerksstrategie у лютому 2024 року. Нові газові електростанції планують прокласти шлях до надійної, кліматично нейтральної енергетичної системи. Порівняно з лігнітом або твердим вугіллям, спалювання газу має менші викиди CO2 і може стати CO2-нейтральним, якщо спалювати зелений водень замість метану. Газові електростанції також більш гнучкі, ніж вугільні технології, щодо інтервалів запуску та змін навантаження.

Зазвичай слід розглядати два типи газових технологій: турбіни (а саме газові турбіни з комбінованим циклом (CCGT) та газові турбіни відкритого циклу) та поршневі двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ, тобто середньошвидкісні поршневі двигуни та високошвидкісні поршневі двигуни).

Турбінні електростанції є технологіями вибору для великих електростанцій. Високий час роботи при повному навантаженні та лише кілька стартів на рік призводять до низької загальної вартості володіння (TCO) та вирівняної вартості енергії (LCOE).

З більшою кількістю періодичного виробництва відновлюваної енергії, потреба у великих традиційних підприємствах зменшується, а важливість гнучких виробничих профілів зростає. Газові електростанції середнього навантаження, спочатку розраховані на роботу 4 000+ годин при повному навантаженні, без частих підняттів і зменшень, працюють менше ніж 2 000 годин на рік із кількістю запусків у сотнях. Отже, вони вже скоригували свій вихід відповідно до доступності відновлюваних джерел. Відповідно, TCO та LCOE зросли.

Невеликі прирости потужності на короткий час стають передумовою

Турбінні електростанції оптимізовані для роботи на повному навантаженні, щоб демонструвати високу електричну ефективність. Однак, оскільки турбінні електростанції часто складаються з однієї або двох великих турбін, ефективність станції суттєво знижується при часткових навантаженнях/збільшенні навантаження. У випадку двигунних установок, що складаються з багатьох малих модулів двигунів, стратегії роботи часткового навантаження можуть відрізнятися. Для роботи на збільшенні навантаження двигуна установка вимикає або не використовує певну кількість зайвих двигунів. Водночас решта продовжуватиме працювати на максимальному навантаженні, тобто з максимальною ефективністю. Підсумовуючи, двигунні установки більше підходять для частих операцій з частковим навантаженням і демонструють відмінну гнучкість.

Крім того, ДВЗ можуть швидше реагувати на зміни навантаження і не мають значних витрат, пов'язаних із запуском, тоді як CCGT має мінімальний час підйому та простою і потребує більше часу для нарощування, що призводить до вищих витрат. У світі, де традиційні електростанції насамперед забезпечують стійкість і безпеку енергопостачання, а також доповнюють періодичне виробництво електроенергії за допомогою фотоелектричних і вітрових технологій, швидкий час реакції та максимальна ефективність разом із універсальністю є ключовими факторами успіху та стимуляторами енергетичного переходу.

Газові двигуни є гнучкими прихильниками короткострокового постачання

Енергетичний перехід залишився. Отже, гнучкі рішення з короткими термінами запуску та високою модульністю, здатні збільшувати роботу багато разів на тиждень, місяць і рік, а також забезпечують найвищу ефективність у широкому діапазоні виробництва (і за низькою вартістю), стають стратегічною необхідністю. Вони є рушієм зеленішого енергетичного майбутнього і можуть самостійно виробляти зелену енергію, перейшовши на гази згоряння без вуглецю. Отже, ДВЗ можна вважати технологією, стійкою до майбутнього, яка вже є зрілою сьогодні.

Завдяки своїй модульності, система ДВЗ може запускати стільки двигунів, скільки потрібно при повному навантаженні, залишаючи решту двигунів вимкненими, що досягає більшої ефективності, ніж одна велика турбіна при частковому навантаженні. Висока ефективність зменшує потребу в первинній енергії, тим самим зменшуючи витрати та викиди парникових газів. Водночас невеликі кроки не обмежують обробку великих навантажень, оскільки великі клієнти вже без труднощів використовують резервні потужності на вищому рівні (наприклад, дата-центри з потужністю 100 МВт+ керують сотнями резервних ДВЗ).

Можна стверджувати, що також доступні малі турбіни, які пропонують ті ж переваги, що й ДВЗ. Однак ДВЗ доступні в промисловому масштабі, що робить їх введення в експлуатацію швидшим. А рішення з коротким терміном виконання є ключовими для безкомпромісного енергетичного переходу.

Крім того, контейнерні рішення можуть перетворити електростанцію на мобільний актив. Їхню потужність можна інтегрувати в мережу там, де це необхідно, щоб зменшити її обмеження. Пізніше, коли вона більше не потрібна, електростанцію можна перемістити, наприклад, коли довгострокові системи зберігання з вуглецевою нейтральністю стануть більш зрілими. Переміщення існуючих активів замість виведення з експлуатації та будівництва нових електростанцій зменшує інвестиційні витрати на нові потужності та інфраструктуру мережі. Це також знижує ризик застрягання інвестицій.

Враховуючи виклики, з якими зараз стикається енергетичний перехід і з якими зіткнеться у короткостроковій, середньостроковій та довгостроковій перспективі, газопоршневі двигуни пропонують життєздатний варіант, який стає дедалі більш вартим уваги для викликів енергетичного переходу. Технологія ДВЗ може забезпечити чисту, економічно вигідну та надійну енергію для сучасних і майбутніх енергетичних систем. Крім того, проєкти електростанцій ДВЗ можуть бути реалізовані швидко і застосовуватися модульним підходом, оскільки контейнерні газові системи виготовляються у промислових масштабах. Нарешті, завдяки відносно малому розміру пристрою (оптимізованому для дорожнього транспорту) модуля ДВЗ на відміну від великої важковантажної турбіни, резервування можна досягти з мінімальними додатковими інвестиціями, просто додаючи окремі блоки для збільшення потужності станції.