http://solar-front.livejournal.com/ ([identity profile] solar-front.livejournal.com) wrote in [community profile] engineering_ru2013-04-10 02:29 pm

Немецкий каприз.

Более обширный оригинал здесьздесь.

С недавних пор я слышу об энергетике где возобновляемый сектор постоянно увеличивается и в конце становится 100%. И слышу об этом всё чаще. Что это? Навязчивая идея евробюрократов или естественное развитие всей нашей цивилизации?
Существует например европейская программа по снижению выбросов СО2 на 80% от уровня 1990 года к 2050 году.

Для понимания мотивации немцев в этом вопросе картинка из Photon 10-2012:
p32
вверху: как было раньше (без учета атомной энергетики) - для получения 460 ТВт*ч  необходимо сжечь невозобновляемых ресурсов на 1400 ТВт*ч. КПД 33%. Отходы - это тепло и СО2 по большей части.
внизу: 25% энергии получаем по большей части ветром. Обратите внимание как снизились выбросы тепла и СО2.



Не стоит забывать, что европа импортирует 52% энергии для своих потребностей (источник)
. И импортирует у:

Bild2

Достигнутые европой с 1990 по 2009 показатели очень слабого роста энергопотребления позволили за этот период сильно сократить сжигание угля (-41%) и на 116% поднять производство эл. энергии при помощи PV, ветрогенерирование выросло на 41% (источник).

Bild7

Вот данные по всему евросоюзу кто и как делает энергококтель:
Bild4

(желтым: атом; синим: нефть; красным: газ; черным: уголь и зеленым: возобновляемое)

И как это потребляется? (источник).
Bild5


Но вернемся в Германию. Есть несколько возможностей по преодолению "импульсивности" генерирования энергии солнцем и ветром. Например, всерьез обсуждается идея по отложенному во времени запуску. Это когда какой нибудь  энергоемкий производственный процесс откладывается до момента когда сеть не перегружена. Например холодильные установки, электролиз.
Существует идея смарт-энергосистемы, которая сама бы организовывалась в соответствии с энергопотребностями.
Другой вариант это строительство систем для аккумулирования эл. энергии. Для примера: если нужно обеспечить всю Германию эл.энергией просто из расчета на годовое потребление то потребуется "всего" 250 ГВт мощности ветряков (с аккумуляторами !). Ветра в Германии для этого хватит :). Но тогда возникает проблема колебаний выработки электроэнергии и дней когда ветра нет. Следовательно нужны энергобанки. Но энергобанки тоже имеют КПД.

Технологии аккумулирования эл.энергии существуют давно. И потребность в них будет. В настоящий момент идут исследования в различных областях. Существует несколько вариантов:
1) наливные водохранилища (расходы 4-11 центов / кВт*ч)
2) сжатый воздух и водород (> 25 центов / кВт*ч)
3) Можно хранить водород в газовой сети (электролиз, хранение согласно DVGW до 5% в газовой системе; проблемы: точность измерения, коррозия)
4) "Электро-газ" технологии: высокие капитальные вложения, КПД: гидролиз.30%, 44% метанирования;
Прогноз: гидролиза 54-77%, 49-65% метанирование.

таком образом: электро-газ-электро оценка КПД в будущем: общую эффективность 40%.
(источник)


Систему электро-газ можно видеть на картинке:

p40
(при помощи электролиза получаем водород, кислород и тепло. Кислород и тепло идут в продажу. Водород  и собранный из воздуха CO2 образуют в каталической реакции метан. Метан поступает в газорастпределительную систему Германии. Общий КПД 40%. КПД электролиза от 75 %.)

Сегодня Германия, благодаря резервуарам, может запасаться газом более чем на 200 ТВт*ч. С точки зрения затрат, наилучшим вариантом было бы использовать систему аккумулирования энергии как можно реже. Но это невозможно. В условиях Германии нет смысла говорить о гидроаккумуляторующих электростанций (наоивные водохранилища): ее доля и так мала, но даже повышение этой доли слишком амбициозная задача и почти невозможная географически.

Итак, Photon  разработал модель, в которой потребности Германии в 460 ТВт*ч обслуживаются только ветряными и солнечными станциями. В модели учтено/не учтено:
1) нет гидроэлектростанций.
2) нет сильного увеличения энергопотребления.
3) нет увеличения КПД солнечных и ветряных преобразователей.
4) предполагается что пики выработки эл.энергии солнечными преобразователями будут сглажены бОльшим количествтом модулей ориентированных на восток-запад .
5) Система аккумулирования эл. энергии больше децентрализована.
Минимальная нагрузка на сеть: 28.3 ГВт, максимальная: 73 ГВт. Предполагается, что до 2030 года будет установлено ветрогенераторов на 232 ГВт, солнечных на 119 ГВт. Хотя общая производительность теоретически 350 ГВт, она никогда не превысит уровня реальной выработки в 218 ГВт. Оптимальное соотношение ветро и солнце-генераторов 75% к 25%. Даже при пиковых нагрузках это означает, что потребление будет не больше 70 ГВт.

100% на возобновляемой энергии (год 2030):
p34
(Photon 10-2012: Метанифицирование как аккумулирование эл.энергии. Запасание в гидроаккумуляторующих электростанциях воды: 3 ТВт*ч, на обслуживание всей системы нужно 66 ТВт*ч, 100 ТВт*ч энергии в виде тепла )


Если существует идеальный и неограниченный аккумулятор эл. энергии в масштабах Германии:

Эксперты предположили: что если мы имеем идеальный и неограниченный аккумулятор эл. энергии в масштабах Германии, то какой идеальной пропорцией ветер/солнце должна обладать такая энергетика? Очевидно, что наибольшей емкостью должен обладать аккумулятор в случаях, если энергетика только ветряная или только солнечная. Не надо забывать, что сезон, когда солнечная панель работает с максимальной эффективностью, потребление эл. энергии падает (213 ТВт*ч с апреля по сентябрь и 246 ТВт*ч с октября по март). Наилучшим соотношение для Германии было признано 75% ветра на 25% солнца.

При таком соотношении ожидаются довольно большие колебания в производстве эл. энергии. В этом случае разница между производством и прямым потреблением будет около 70% уровня. Это означает, что около 30% эл. энергии необходимо будет аккумулировать. В этом случае около 114 ТВт будут направлены в систему аккумулирования.

Разумеется аккумулятор имеет и потери и ограничен в пропускной способности. В случае, если пропускная способность такого аккумулятора минимальна, реальные потери уже существующих систем были взяты за основу.
На схеме вверху присутствуют мощности гидроаккумуляторующих электростанций (pumped storage hydro power station). Они расчитаны на 194 цикла в год, общая мощность 9.7 ТВт*ч, потери 3 ТВт*ч.

p36
(модель для 330 ГВт ветро и 170 ГВт солнечной генерации на август. Мощности электро-газ аккумуляторов (ЭГА) около 67 ГВт. Верхняя часть рисунка показывает, что такая конфигурация лишь изредка не справляется с пиковыми мощностями. Рисунок внизу показывает переключение ЭГА с режимов запаса на расход. ЭГА КПД 65%.)

p44
(помесячное распределение производства и потребления.  Светло-коричневым: ветер; темно-коричневым: солнце; линия: потребление.)


Чтобы запасать всю энергию  от ветро- и солнцегенерации потребуются ЭГА с объемом 166 ГВт, но если мы сократим их до 80 ГВт, потери будут всего лишь 1.5%; для 40 ГВТ количество, не сохраненной эл.энергии, увеличится до 7 %. Если мы согласны с потерями в 10% ,то 30 ГВт мощностей ЭГА достаточно. Т.е. это меньше 10% всех энергопроизводящих мощностей (350 ГВт).

Теперь о стоимости ЭГА. Сегодня 1 кВт ЭГА стоит  1.5 к€. При производстве мультигигаваттного количества  ЭГА можно снизить цену до 0.5 к€.
 Если считать 1 к€ за кВт, то выходит сумма около 30 млрд.€. Для 67 ГВт мощностей (на рисунке вверху) портребуется около 50-60 млрд.€.

В настоящий момент в Германии уже есть 20 ГВт ЭГА, и к 2020 планируется довести эту цифру до 30 ГВт. Но чтобы достигнуть 67 ГВт к 2030 году необходимо вводить 4 ГВт ЭГА ежегодно (сегодня 2 ГВт). Даже без учета того, что производимые ЭГА тепло и кислород будут продаваться, цена "скалдирования" кВт*ч будет около 1 евроцента.

Такой симбиоз электро и газ систем дает новые возможности. Избыточная электроэнергия переводится в газ, и газовая система "поглощает" пики электропроизводства. Тем не менее в настоящий момент основные монополисты - поставщики электроэнергии запрещают запасание при помощи ЭГА. Но если будет получено разрешение на использование ЭГА, линии электропередач можно будет переименовывать в линии балансирования сети.

Вырабатываемое тепло от ЭГА в 60 ТВт*ч тоже позволят сократить потребление газа на 16 млрд. м3. Это около 20% потребления газа в Германии.

Кроме того немецкие камрады моделировали ситуацию, когда количество мощностей, позволяющих сохранять энергию в короткие сроки (8 часов), увеличено более чем в 10 раз (с 6.7 ГВт первоначальных до 100 ГВт). Эффект оказался негативным:  стоимость таких аккумуляторов перекрывает экономию на солнце+ветер генераторах.

Важен вывод: нельзя современную энергосистему рассматривать изолированно. Это связка: электро, тепло и газо систем. "Потери" в электросистеме часто означают "источник" в теплосистеме, как это может быть с теплом в 60 ТВт*ч от ЭГА.

Возможно ли достичь к 2030 году уровня когда ветрогенерирующие мощности будут 232 ГВт, а солнечные 119 ГВт?

Если темп роста фотовольтаики, который был последние годы (без субсидирования) сохранится, то да, в 2030 году PV будет 170 ГВт. С ветрогенераторами темпы недостаточные. Сегодня они растут со скоростью 2 ГВт, а надо 17 ГВт. Если на рынке доля более высоких ветряков будет расти, а их время работы будет на 50% выше, то таких мощностей необходимо будет в год 8 ГВт. И тем не менее, как было сказано выше, соотношение солнце/ветер генерирование может быть смещено в сторону солнца за счет увеличения размера энерго банков.

Важное дополнение: при условии, что PV системы будут работать 30 лет количество переустанавливаемых модулей достигнет 5.7 ГВт, для ветрогенераторов 11.6 ГВт потребуют ремонта при условии наработки на отказ в 20 лет.

Затраты.

Предполагается, что в 2030 году ветроватт будет стоить 8 евросентов, солнечный ватт 6 евроцентов. ЭГА будут покупать эл.энергию "на пиках" по бросовым ценам. Photon  отталкивался от цены для конечного потребителя (460 ТВт*ч). Вышло следующее: покупается за 7.3 евроцента, продается за 10.4. Если учесть инфляцию в 2 %, то 10.4 евроцента в  2030 сравнимы с 7.4 евроцентами сегодня. Сегодня для конечного потребителя эл. энергия обходится в 15...24 евроцента (Германия).

Затраты на смену инфраструктуры в Германии потребуют значительных инвестиций в новую инфраструктуру. Около 15 млрд. евро каждый год до 2050 года (вспомним, что например Кипр требует помощи в 17 млрд евро, а сколько было влито в Грецию, Италию, Испанию и т.д.?). Это около 600 млрд. евро.
Затраты на уход от АЭС: 0.5-1.5 евроцентов про кВт*ч до 2022 года.
Затраты оплачивает потребитель.

Если Вы осилили весь текст, то не знаю как Вы, а у меня назрело два вопроса:
1) Почему "зеленые" "забыли" про выработку тепла на первом рисунке?
2) Как это реалистично поддерживать такой парк солнечных, ветрогенераторов, ЭГА?
3) Как "гибка" будет такая энергосистема в при изменении потребностей в различных регионах?

Те же вопросы

[identity profile] dr-trans.livejournal.com 2013-04-10 12:51 pm (UTC)(link)
1) Почему "зеленые" "забыли" про выработку тепла на первом рисунке?
— Там не только выработка тепла, там еще и общая дороговизна самих ветрогенераторов и их обслуживания, которая требует наличия транспорта (топливо, парниковые газы), смазочных материалов (нефтепродукты и пр. химия), доп. рабочих мест, т.к. надо будет много ездить, и много другого... А это все приводит либо к выработке тепла, либо к загрязнению.

2) Как это реалистично поддерживать такой парк солнечных, ветрогенераторов, ЭГА?
— Никак. Они все убыточны, но об этом не принято говорить. Та же фигня, что и с электромобилями и гибридами, которые как бы меньше дымят в пути, но один выброшенный в лес аккумулятор принесет гораздо больше вреда, чем 100 дизельных грузовиков, которые, в конце концов, выбрасывают в основном сажу.

3) Как "гибка" будет такая энергосистема в при изменении потребностей в различных регионах?
— О гибкости речи быть нее может. Система построена так, что человеку будет легче построить дом возле розетки, чем установить розетку там, где ему надо в доме.
Edited 2013-04-10 12:56 (UTC)

Re: Те же вопросы

[identity profile] dr-trans.livejournal.com 2013-04-10 01:29 pm (UTC)(link)
Электромобиль стоит почти вдвое дороже аналога на ДВС. Человеку свойстве экономить деньги, а не беречь природу.

Re: Те же вопросы

[identity profile] dr-trans.livejournal.com 2013-04-10 01:39 pm (UTC)(link)
Вот и я пока сторонник дизеля. :)

Re: Те же вопросы

[identity profile] dr-trans.livejournal.com 2013-04-10 01:48 pm (UTC)(link)
Не. Дизель практичнее. Нет в наших широтах зарядных станций и не скоро будут. Я точно не поезжу на электромобиле. И не факт, что я на дизель+ топливо потрачу больше, чем сразу на электромобиль с дорогущим аккумом, кторый надо часто менять (опять же, пока негде обслуживать электромобили).

Эти все альтернативные технологии пока еще сильно in vitro. Я подожду.

Re: Те же вопросы

[identity profile] nlothik.livejournal.com 2013-04-10 03:21 pm (UTC)(link)
Дизель окупается за два-три года, в зависимости от того, как часто на нём ездить.

По моим расчётам, электромобиль окупается к тому времени, когда в нём как раз нужно менять батарейку.

Re: Те же вопросы

[identity profile] noddeat.livejournal.com 2013-04-10 03:35 pm (UTC)(link)
чего это он дороже? На mobile.de вполне можно найти что-либо за цену фольксвагена TDI. Б/у машин мало среди электро, но это и понятно.

другое дело, что позволить это себе могут люди со своим домом, публичной инфраструктуры для зарядки пока нет.

но электромобиль — это вообще не про возобновляемую энергию, это про перенос загрязнения атмосферы с города за город (там где АЭС).

Re: Те же вопросы

[identity profile] dr-trans.livejournal.com 2013-04-10 03:57 pm (UTC)(link)
Да, к эл.-мобилям нужна инфраструктура. Иначе на нем далеко не уедешь. У нас пока нет.
А про их "зеленость" не я говорю, а сами производители. ;)

Re: Те же вопросы

[identity profile] noddeat.livejournal.com 2013-04-10 04:06 pm (UTC)(link)
ну, производителей можно понять, им продавать надо :)

[identity profile] rcoma.livejournal.com 2013-04-10 01:24 pm (UTC)(link)
а сколько по вашему требует обслуживания мощный ветряк? как бывший инженер могу сказать, что самолично видел эл. двигатели сименс отработавшие на производстве по 40 лет практически без обслуживания. конечно электроника и сети потребуют обслуживания, но самую дорогую деталь ветряка, генератор, вполне реально можно сделать на десятилетия.

насчет аккумулирования - идея с супермаховиками я так понимаю заглохла?

[identity profile] dr-trans.livejournal.com 2013-04-10 04:00 pm (UTC)(link)
Мне кажется, что слабое место как раз в обслуживающей электронике и общей дороговизне всего ветряка как установки. Сам генератор будет служить долго. Если взять светодиодные лампы, то там тоже чаще вылетают не светодиоды, а электронная начинка. Хоть светодиод и может прожить 10 тыс. часов... но электроника горит через год-полтора. Как стем львом в зоопарке... "Съесть-то он съест, только кто ему даст." Светодиоды надо обеспечивать надежной электроникой, а она боится перегрева. В этом и затык.

[identity profile] rcoma.livejournal.com 2013-04-10 04:30 pm (UTC)(link)
в этом плане ветрогенераторы мало чем отличаются от любых других генераторов и думаю их обслуживание не дороже.

[identity profile] dr-trans.livejournal.com 2013-04-10 04:52 pm (UTC)(link)
Возможно удорожание из-за масштаба. Мы же говорим не о вертушках на крышах частных домов, а о полях ветряков на прибрежном шельфе или на полях. Там башни высотой метров по 50-60. Размах лопастей метров 40 ...
А если в море, то в шторм не пришвартуешься, значит несколько дней без света...

[identity profile] klinichev.livejournal.com 2013-04-10 01:24 pm (UTC)(link)
Относительно вопросов, всегда умиляло, как все вокруг кричат, что ветрогенераторы убыточны, солнечные батареи убыточны, электромобили вообще не экологичны на самом деле и так далее...
А теперь представьте, что когда-то наступит момент, что газ и нефть кончатся, может это наступит через 50 лет, а может через 100, а может через все 200, и в этот момент Германия скажет, мы конечно понимаем, что электроэнергия от ветрогенераторов и солнечных электростанций очень дорогая, но придется вам её у нас покупать, а что делать?
Что будут делать страны, которые радостно жгли газ и нефть сидя ровно на попе, я честно не знаю.

[identity profile] af.livejournal.com 2013-04-10 02:05 pm (UTC)(link)
Уже не затеят - проспали момент)) Можно спать спокойно)

этого не может быть

[identity profile] freedom_of_sea.livejournal.com 2013-04-10 02:03 pm (UTC)(link)
газ не кончится одномоментно, цена будет расти постепенно, и альтернативные (не обязательно зеленые, например атомные) технологии будут расти по мере повышения их рентабельности

Re: этого не может быть

[identity profile] klinichev.livejournal.com 2013-04-10 02:05 pm (UTC)(link)
Ну вот люди готовятся... тем более цена-то растет как не крути, а если война где, так вообще взлетит

[identity profile] nlothik.livejournal.com 2013-04-10 02:05 pm (UTC)(link)
Как показывает исторический опыт, страны, у жителей которых руки растут не из задницы, оказавшись в ситуации острого дефицита какого-то типа углеводородного топлива, быстро осваиваются, например, делают синтетический бензин из угля. Примеры -- Германия во Второй Мировой, ЮАР во время апартхайда.

Уж чего-чего, а угля хватит НАДОЛГО.

[identity profile] af.livejournal.com 2013-04-10 03:31 pm (UTC)(link)
Неглобально мыслим!!
Ура дымящим паровозам и личным самокатным тележкам на углях каждому гражданину)))Хайтек такой хайтек))
Edited 2013-04-10 15:32 (UTC)

[identity profile] nlothik.livejournal.com 2013-04-10 03:34 pm (UTC)(link)
Ура!!! Назад, в стимпанк!!! :)))

Вообще, вся раздутая вокруг пиковой нефти ажитация, по-моему, не стоит выеденного гроша. Бронзовый век закончился не потому, что в мире закончились запасы меди и олова...

[identity profile] af.livejournal.com 2013-04-10 03:49 pm (UTC)(link)
не не не, пусть раздувают)) Нам бюджеты пополнять надо))

[identity profile] cormix.livejournal.com 2013-04-10 02:22 pm (UTC)(link)
Особенно если учесть абиотическую теорию образования нефти, не из остатков живых организмов, а методом синтеза из метана и водорода, захваченных при образовании планеты. Метана в недрах мноооого. А к традиционной теории есть вопросы - откуда, собственно, взялось такое количество биомассы, способное обеспечить современные объемы добычи? И откуда в старых, выработанных скважинах время от времени нефть опять появляется?

Если эта гипотеза верна, то вся истерика "Нефть заканчивается!" просто маркетинговый трюк для повышения цен.

Годовой прирост биомассы Земли

[identity profile] svarogych.livejournal.com 2013-04-10 08:55 pm (UTC)(link)
Мировые разведанные запасы каменного и бурого угля составляют свыше 5 трлн т.
Все мировые запасы топлив составят, дай бог, 22 трлн тонн или же 22000 млрд тонн.
Годовой прирост биомассы Земли 220 млрд тонн.
Итого: все запасы топлив это всего 100 лет биопродуктивности.
Если ежегодно в осадок отправлять 0,000001 от прироста, то запасы накопятся всего за 100 млн лет.
Каменноугольный период начался 360 млн лет назад.

Re: Годовой прирост биомассы Земли

[identity profile] cormix.livejournal.com 2013-04-10 10:01 pm (UTC)(link)
>Каменноугольный период начался 360 млн лет назад.

И он продолжается до сих пор?

[identity profile] klinichev.livejournal.com 2013-04-11 04:04 am (UTC)(link)
Дело не в том откуда она взялась, а какова скорость её появления, что-то мне подсказывает что скорость добычи явно опережает темпы возобновления. Насчет биомассы, как долго существует жизнь на земле и как долго мы добываем нефть?

[identity profile] cormix.livejournal.com 2013-04-11 11:27 am (UTC)(link)
>Насчет биомассы, как долго существует жизнь на земле и как долго мы добываем нефть?

Жизнь существует уже пару миллиардов лет, а добыча нефти ведется меньше 200 лет. Скоро закончится, угу.

Тем более, если нефть образуется из метана, а ничего невозможного в этом нет, реакция тривиальна, то выбрать ее всю у нас просто не получится.

[identity profile] noddeat.livejournal.com 2013-04-10 03:38 pm (UTC)(link)
+1
да, это все сейчас дорого, но строить все это через 50 лет будет еще дороже. Тем более, у немцев своей нефти и нет.

[identity profile] dimorlus.livejournal.com 2013-04-10 03:42 pm (UTC)(link)
Как соотносится отсутствие роста потребление электроэнергии с продвигаемыми зелеными же проектами электротранспорта?

[identity profile] dimorlus.livejournal.com 2013-04-10 05:59 pm (UTC)(link)
Причем тут производство? На производство электрокара и автомобиля нужно примерно одинаковое количество электро энергии, а вот на эксплуатацию - нет.

[identity profile] dimorlus.livejournal.com 2013-04-10 06:29 pm (UTC)(link)
В случае электромобилей: рост потребления в этой области будет компенсирован падением потребления, например, в энергоемких производсвах.

С чего бы? Это никак не связано. С таким же успехом, можно предположить, что просто так (прогресс ведь) упадет потребность в энергии. Кстати, в Германии с ее отрицательным приростом населения и уже относительно высоким уровнем жизни, может быть, потребление и падает, а вот у нас - растет, и быстрее, чем население. Люди живут лучше, могут себе позволить больше кондиционеров. Экономия на LED лампочках не покроет.

[identity profile] dimorlus.livejournal.com 2013-04-10 06:48 pm (UTC)(link)
Новый телек, может быть и меньше потребляет (я вообще не смотрю телек, а компьютеры у меня работают круглосуточно, и за последние 20 лет меньше потреблять не стали). Как не стали всерьез меньше потреблять стиральные машины и холодильники. Зато появились посудомоечные и сушильные машины, без которых раньше как-то обходились. Но главное - кондиционеры. А снизить затраты на энергоемкое производство просто - надо его в Китай перенести :) Ну или в Россию. А то чтобы наэлектролизовать тонну алюминия, нужно сколько-то там кулон электричества, и это закон физики, Фарадея, если мне память совсем еще не отшибло.

[identity profile] wormball.livejournal.com 2013-04-10 11:37 pm (UTC)(link)
> Почему "зеленые" "забыли" про выработку тепла на первом рисунке?

Видимо, оттого, что оная энергия в любом случае превратится в тепло. Правда, солнечные батареи вносят свой вклад в нагревание тем, что они темнее окружающего ландшафта. А ветрогенераторы влияют на воздухообмен, и у меня есть подозрение, что эффект от этого будет вовсе даже обратным.