Войти
Солнечная электростанция Andasol мощностью 150 МВт представляет собой коммерческий параболический желоб солнечная тепловая электростанция, расположенная в Испании. На заводе Andasol используются резервуары с расплавленной солью для хранения солнечной энергии, так что он может продолжать вырабатывать электроэнергию, даже когда солнце не светит. 
Сети с высоким уровнем проникновения возобновляемых источников энергии обычно нуждаются в более гибкой генерации, чем в генерации базовой нагрузки Переменная возобновляемая энергия (VRE ) - это возобновляемый источник энергии, который не- диспетчеризован из-за его изменчивого характера, например, энергия ветра и солнечная энергия, в отличие от управляемого возобновляемого источника энергии, такого как плотина гидроэлектроэнергия, или биомасса, или относительно постоянного источника, такого как геотермальная энергия.
Несколько ключевых терминов полезны для понимания проблемы прерывистых источников питания. Эти термины не стандартизированы, и могут использоваться различные варианты. Большинство этих условий также применимы к традиционным электростанциям.
| Ресурсы | Диспетчеризация | Изменчивость | Предсказуемость |
|---|---|---|---|
| Биотопливо | Высокая | Низкая | Высокая |
| Биомасса | Высокая | Низкая | Высокая |
| Геотермальный | Средний | Низкий | Высокий |
| Гидроэлектричество | Средний | Средний | Высокий |
| Солнечная энергия | Низкая | Высокая | Средняя |
| Приливная мощность | Низкая | Высокая | Высокая |
| Мощность волны | Низкая w | Средняя | Средняя |
| Ветровая энергия | Низкая | Высокая | Низкая |
Обычная гидроэлектроэнергия, биомасса и геотермальная энергия полностью диспетчеризованы поскольку у каждого есть запас потенциальной энергии; Производство энергии ветра и солнца, как правило, не требует накопления и может быть уменьшено, но не может быть отправлено, кроме случаев, когда это предусмотрено природой. Между ветром и солнцем у солнечной энергии более изменчивый суточный цикл, чем у ветра, но она более предсказуема в дневное время, чем ветер. Как и солнечная, приливная энергия меняется между циклами включения и выключения в течение дня, в отличие от солнечной, здесь нет периодичности, приливы доступны каждый день в обязательном порядке. Биотопливо и биомасса включают несколько этапов производства энергии - выращивание растений, сбор урожая, переработку, транспортировку, хранение и сжигание для получения тепла для электричества, транспортировки или отопления помещений. В комбинированной электростанции, используемой Кассельским университетом для моделирования с использованием 100% возобновляемой энергии, были добавлены ветряные электростанции и солнечные фермы по мере необходимости гидроаккумуляции и биомассы для отслеживания спроса на электроэнергию.
Прогнозирование на сутки вперед и фактическая энергия ветра Прогнозирование энергии ветра является наименее точным из всех переменных возобновляемых источников энергии источники. Сетевые операторы используют прогнозирование на сутки вперед, чтобы определить, какой из доступных источников энергии использовать на следующий день, а прогноз погоды используется для прогнозирования вероятной выходной мощности ветра и солнечной энергии. Хотя прогнозы энергии ветра использовались в оперативном режиме на протяжении десятилетий, с 2019 года МЭА организует международное сотрудничество для дальнейшего повышения их точности. Изменчивость энергии ветра можно рассматривать как одну из ее определяющих характеристик.
Ветряная электростанция Эри Шорс ежемесячная выработка за двухлетний период 
A ветряная электростанция в Маппандал, Тамил Наду, Индия 
В течение всего года более 20 процентов электроэнергии Южной Дакоты вырабатывается за счет энергии ветра. Ветровая энергия является переменным ресурсом, и количество электроэнергия, производимая в любой момент времени на данной установке, будет зависеть от скорости ветра, плотности воздуха и характеристик турбины (среди других факторов). Если скорость ветра слишком мала, ветровые турбины не смогут вырабатывать электричество, а если она будет слишком высокой, турбины придется выключить, чтобы избежать повреждений. В то время как мощность одной турбины может сильно и быстро меняться по мере изменения местной скорости ветра, по мере того, как все больше турбин подключается на все большие и большие площади, средняя выходная мощность становится менее изменчивой.
Поскольку ветровая энергия вырабатывается большим количеством небольших генераторов, отдельные сбои не имеют большого влияния на электроэнергию сетки. Эта характеристика ветра получила название устойчивости.
На энергию ветра влияет температура воздуха, потому что более холодный воздух более плотный и, следовательно, более эффективен для выработки энергии ветра. В результате на ветровую энергию влияют сезонные колебания (зимой она больше, чем летом) и суточные колебания температуры. Во время волны тепла 2006 в Калифорнии выработка ветровой энергии в Калифорнии значительно снизилась до в среднем 4% мощности в течение семи дней. Аналогичный результат был отмечен во время волны жары в Европе 2003 г., когда выработка энергии ветра во Франции, Германии и Испании упала ниже 10% в периоды пикового спроса. Волны жары частично вызваны большим количеством солнечной радиации.
Пять дней почасовой выработки пяти ветряных электростанций в Онтарио Согласно статье в EnergyPulse, «развитие и распространение хорошо функционирующих на сутки вперед и рынки в реальном времени предоставят эффективные средства борьбы с изменчивостью ветровой генерации ».
В Онтарио, Канада, Независимый оператор электроэнергетической системы экспериментирует с управляемой ветроэнергетикой для удовлетворения пиковых потребностей. В этом случае ряд ветряных генераторов намеренно не подключаются к сети, а включаются и готовы к выработке, а когда возникает потребность в дополнительной мощности, они подключаются к сети. IESO пытается это сделать, поскольку ветряные генераторы реагируют на внезапные потребности в электроэнергии гораздо быстрее, чем газовые генераторы или генераторы гидроэлектроэнергии.
Суточная выработка солнечной энергии в ATT Park в Сан-Франциско Солнечная энергия более предсказуема, чем энергия ветра, и менее изменчива - в то время как солнечная энергия никогда не бывает мощность, доступная в ночное время, а зимой происходит ее сокращение, единственными неизвестными факторами в прогнозировании солнечной энергии на каждый день являются облачность, мороз и снег. Многие дни подряд в некоторых местах относительно безоблачно, точно так же, как много дней подряд в одном и том же или других местах бывает пасмурно, что обеспечивает относительно высокую предсказуемость. Ветер возникает из-за неравномерного нагрева поверхности земли и может обеспечить около 1% потенциальной энергии, доступной от солнечной энергии. 86 000 ТВт солнечной энергии достигает поверхности мира против 870 ТВт при всех мировых ветрах. Общий мировой спрос составляет примерно 12 ТВт, что во много раз меньше, чем количество, которое может быть произведено за счет потенциальных ветровых и солнечных ресурсов. От 40 до 85 ТВт может быть обеспечено за счет ветра и около 580 ТВт за счет солнечной энергии.
Dish Stirling 
Сезонное изменение мощности солнечных панелей в парке ATT в Сан-Франциско Непрерывность работы по своей сути влияет на солнечную энергию, так как Производство возобновляемой электроэнергии из солнечных источников зависит от количества солнечного света в данном месте и в определенное время. Солнечная мощность меняется в течение дня и в зависимости от времени года и зависит от пыли, тумана, облачности, мороза или снега. Многие из сезонных факторов вполне предсказуемы, и некоторые солнечные тепловые системы используют накопление тепла для выработки электроэнергии из сети в течение полного дня.
Влияние прерывистой генерации электроэнергии, генерируемой солнечными батареями, будет зависеть от корреляции производства и спроса. Например, солнечные тепловые электростанции, такие как Nevada Solar One, в некоторой степени приспособлены к летним пиковым нагрузкам в районах со значительными требованиями к охлаждению, таких как юго-запад США. Системы хранения тепловой энергии, такие как небольшая испанская Gemasolar Thermosolar Plant, могут улучшить соответствие между солнечными источниками и местным потреблением. Повышенный коэффициент мощности с использованием аккумулирования тепла представляет собой уменьшение максимальной мощности и увеличивает общее время, в течение которого система вырабатывает электроэнергию.
Во многих европейских странах и на севере Американское экологическое движение отказалось от строительства плотин с большими водохранилищами. Реальные проекты, такие как проект Кииаск мощностью 695 МВт в Канаде, строительство которого началось в 2014 году. Отсутствие водохранилища приводит к сезонным и годовым колебаниям выработки электроэнергии.
Типы приливов Приливная энергия является наиболее предсказуемой из всех переменных возобновляемых источников энергии. Дважды в день приливы меняются на 100%, но они никогда не бывают прерывистыми, наоборот, они абсолютно надежны. Подсчитано, что Великобритания могла бы получать 20% энергии за счет приливной энергии, только 20 мест в мире пока определены как возможные приливные электростанции.
Волны в основном создаются ветер, поэтому энергия, получаемая от волн, имеет тенденцию повторять мощность, получаемую от ветра, но из-за массы воды она менее изменчива, чем энергия ветра. Энергия ветра пропорциональна кубу скорости ветра, а мощность волн пропорциональна квадрату высоты волны.
Исторически сложилось так, что операторы сетей используют прогнозирование на сутки вперед, чтобы выбрать, какой электростанции, чтобы восполнять спрос каждый час следующего дня, и корректировать этот прогноз с такими короткими интервалами, как ежечасно или даже каждые пятнадцать минут, чтобы учесть любые изменения. Обычно лишь небольшая часть общего спроса предоставляется в качестве вращающегося резерва.
Некоторые прогнозы предполагают, что к 2030 году почти вся энергия может поступать из неуправляемых источников - сколько энергии ветра или солнца доступно, зависит от погоды Условиями, и вместо включения и выключения доступных источников становится либо хранение, либо передача этих источников туда, где они могут быть использованы, или куда они могут быть использованы. Некоторая избыточная доступная энергия может быть направлена на производство водорода для использования на кораблях и самолетах, относительно долгосрочное хранение энергии в мире, где почти вся наша энергия поступает из ветра, воды и солнца (WWS). Водород - это не источник энергии, а средство хранения. Необходимо будет провести анализ затрат между передачей на большие расстояния и избыточной мощностью. Солнце всегда где-то светит, а ветер всегда дует где-то на Земле, и в течение 2020-х или 2030-х годов, по прогнозам, станет рентабельным доставить солнечную энергию из Австралии в Сингапур.
В таких местах, как Британская Колумбия с обильными гидроэнергетическими ресурсами, гидроэнергетика всегда может восполнить любой дефицит энергии ветра, а аккумулирование тепла может быть полезно для уравновешивания предложения и спроса на электроэнергию в районах, где гидроэнергетика отсутствует.
Ветер и солнце в некоторой степени дополняют друг друга. Эффект демонстрируется при сравнении мощности солнечных панелей и ветряной турбины в Массачусетской морской академии. Зимой, как правило, больше ветра и меньше солнечной энергии, а летом больше солнечной энергии и меньше ветра, а днем больше солнечной энергии и меньше ветра. Ночью всегда нет солнечной энергии, а ночью часто бывает больше ветра, чем днем, поэтому солнечная энергия может использоваться в некоторой степени для удовлетворения пикового спроса днем, а ветер может удовлетворить большую часть спроса в ночное время. Однако существует значительная потребность в хранилище и передаче, чтобы заполнить пробелы между спросом и предложением.
Как сказал физик Амори Ловинс :
Изменчивость солнца, ветра и т. Д. Не станет проблемой, если вы сделаете несколько разумных вещей. Один из них - это диверсификация возобновляемых источников энергии с помощью технологий, чтобы погодные условия, плохие для одного вида, были хороши для другого. Во-вторых, вы диверсифицируете по участкам, чтобы они не все одновременно зависели от одного и того же погодного условия, потому что они находятся в одном месте. В-третьих, вы используете стандартные методы прогнозирования погоды для прогнозирования ветра, солнца и дождя, и, конечно, гидрооператоры делают это прямо сейчас. В-четвертых, вы интегрируете все свои ресурсы - со стороны предложения и со стороны спроса... "
Сочетание диверсификации переменных возобновляемых источников энергии по типу и местоположению, прогнозирования их вариаций и их интеграции с отправляемыми возобновляемыми источниками энергии, генераторами с гибким топливом и реагирование на спрос может создать энергосистему, способную надежно удовлетворить наши потребности. Интеграция все более высоких уровней возобновляемых источников энергии успешно демонстрируется в реальном мире:
переход на возобновляемые источники энергии обеспечивает меньшее количество отключений электроэнергии. В 2016 году количество минут в Германии (13 минут) было почти вдвое меньше, чем в 2006 году. Марк А. Делукки и Марк З. Якобсон определить семь способов проектирования и эксплуатации систем переменного тока с возобновляемыми источниками энергии, чтобы они надежно удовлетворяли спрос на электроэнергию:
Якобсон и Делукки говорит, что использование энергии ветра, воды и солнечной энергии можно рентабельно увеличить. пять способов удовлетворить наши потребности в энергии, освобождая нас от зависимости как от ископаемого топлива, так и от ядерной энергии. В 2009 году они опубликовали в Scientific American «План по обеспечению 100% населения планеты возобновляемыми источниками энергии». Более подробный и обновленный технический анализ был опубликован в виде статьи из двух частей в рецензируемом журнале Energy Policy.
Статья Кропоски и др. обсуждает технические проблемы и решения для эксплуатации электроэнергетических систем с чрезвычайно высоким уровнем переменной возобновляемой энергии в журнале IEEE Power and Energy Magazine. В этой статье объясняется, что есть важные физические различия между электрическими сетями, в которых преобладают силовые электронные источники, такие как ветровые и солнечные, и традиционные электрические сети, основанные на синхронных генераторах. Эти системы должны быть правильно спроектированы для обеспечения стабильности и надежности сети.
Возобновляемая энергия пополняется естественным образом, а технологии использования возобновляемых источников энергии повышают энергетическую безопасность, поскольку они снижают зависимость от иностранных источников топлива. В отличие от электростанций, использующих уран и переработанный плутоний в качестве топлива, они не подвержены волатильности мировых топливных рынков. Возобновляемая энергия децентрализует электроснабжение и, таким образом, сводит к минимуму необходимость производства, транспортировки и хранения опасного топлива; надежность выработки электроэнергии повышается за счет выработки электроэнергии рядом с потребителем энергии. Случайное или преднамеренное отключение электроэнергии влияет на меньшую мощность, чем отключение на более крупной электростанции.
Международное энергетическое агентство сообщает, что тоже было большое внимание уделяется вопросу изменчивости производства электроэнергии из возобновляемых источников. Проблема прерывистого энергоснабжения касается популярных возобновляемых источников энергии, в основном ветровой энергии и солнечной фотоэлектрической энергии, и ее значимость зависит от ряда факторов, включая проникновение на рынок соответствующих возобновляемых источников энергии, сбалансированность установки и более широкие возможности подключения системы, а также гибкость со стороны спроса. Изменчивость редко будет препятствием для расширения использования возобновляемых источников энергии, если также доступна диспетчеризация. Но при высоком уровне проникновения на рынок это требует тщательного анализа и управления, а также могут потребоваться дополнительные расходы на резервное копирование или модификацию системы. Поставка возобновляемой электроэнергии в диапазоне проникновения 20-50 +% уже реализована в нескольких европейских системах, хотя и в контексте интегрированной европейской сетевой системы:
В 2011 году Межправительственная группа экспертов по изменению климата, ведущие мировые исследователи климата, отобранные Организацией Объединенных Наций, заявили, что «по мере развития инфраструктуры и энергетических систем, несмотря на сложности, существует немного, если таковые имеются, фундаментальных технологических ограничений для интеграции портфеля технологий возобновляемых источников энергии для удовлетворения большая часть общего спроса на энергию в местах, где имеются или могут быть поставлены подходящие возобновляемые ресурсы ». Сценарии МГЭИК «обычно указывают на то, что рост возобновляемых источников энергии будет широко распространен во всем мире». МГЭИК заявила, что если правительства поддержат и развернут полный набор технологий возобновляемой энергии, то в течение сорока лет на поставку возобновляемой энергии может приходиться почти 80% мирового потребления энергии. Раджендра Пачаури, председатель IPCC заявила, что необходимые инвестиции в возобновляемые источники энергии будут стоить всего около 1% мирового ВВП в год. Такой подход может снизить уровни парниковых газов до менее 450 частей на миллион, безопасного уровня, при превышении которого изменение климата становится катастрофическим и необратимым.
150 МВт Солнечная электростанция Andasol - коммерческая параболическая желоба солнечная тепловая электростанция, расположенная в Испании. Завод Andasol использует резервуары с расплавленной солью для хранения солнечной энергии, чтобы он мог продолжать вырабатывать электроэнергию даже тогда, когда солнце не светит. 
Строительство резервуаров для соли, которые обеспечивают эффективное хранение тепловой энергии, чтобы вывод может быть обеспечен после захода солнца, и вывод может быть запланирован для удовлетворения требований спроса. Электростанция «Солана» мощностью 280 МВт рассчитана на шесть часов хранения энергии. Это позволяет станции вырабатывать около 38 процентов своей номинальной мощности в течение года. Неустойчивый источник энергии - это любой источник энергии, который не может быть постоянно доступен для преобразования в электричество. и вне прямого контроля, поскольку использованная первичная энергия не может быть сохранена. Прерывистые источники энергии могут быть предсказуемыми, но не могут быть направлены для удовлетворения потребностей электроэнергетической системы.
Использование прерывистых источников в электроэнергетической системе обычно заменяет запасаемую первичную энергию, которая в противном случае потреблялась бы другими электростанциями. Другой вариант - хранить электроэнергию, произведенную неуправляемыми источниками энергии, для последующего использования, когда это необходимо, например в виде гидроаккумулятора, сжатого воздуха или в батареях. Третий вариант - соединение секторов , например. электрическим отоплением для схем централизованного теплоснабжения.
Использование небольшого количества прерывистой мощности мало влияет на работу сети. Использование больших объемов прерывистой энергии может потребовать модернизации или даже перепроектирования сетевой инфраструктуры.
Проникновение прерывистой возобновляемой энергии в большинство электрических сетей низкое, мировое производство электроэнергии в 2014 году было низким. обеспечивается 3,1% ветром и 1% солнечной энергией. Ветер вырабатывает примерно 16% электроэнергии в Испании и Португалии, 15,3% в Ирландии и 7% в Германии. По состоянию на 2014 год ветер обеспечивает 39% электроэнергии, производимой в Дании. Чтобы работать с таким уровнем проникновения, Дания экспортирует излишки и импорт во время дефицита в соседние страны и из них, особенно гидроэлектроэнергию из Норвегии, чтобы сбалансировать предложение и спрос. В нем также используется большое количество теплоэлектроцентралей (ТЭЦ ), которые могут быстро регулировать мощность.
Непостоянство и изменчивость возобновляемых источников энергии можно уменьшить и приспособить путем диверсификации их типов технологий географическое положение, прогнозирование их вариаций и их интеграция с управляемыми возобновляемыми источниками энергии (такими как гидроэнергетика, геотермальная энергия и биомасса). Сочетание этого с накоплением энергии и реагированием на спрос может создать энергосистему, которая может надежно удовлетворять потребности в энергии в реальном времени. Интеграция все более высоких уровней возобновляемых источников энергии уже была успешно продемонстрирована:
Исследовательская группа из Гарвардского университета количественно определила метеорологически определенные пределы снижения вариабельности выработки от связанной системы ветряных электростанций в Центральной Америке:
Проблема с производительностью одной ветряной электростанции, расположенной в любом конкретном регионе, заключается в том, что она изменяется во временном масштабе от минут до дней, что создает трудности для включения соответствующих результатов в интегрированную энергосистему. Высокая частота (менее одного раза в день) изменчивость вкладов отдельных ветряных электростанций в основном определяется локально созданным мелкомасштабным пограничным слоем. Низкочастотная изменчивость (более одного раза в сутки) связана с прохождением в атмосфере переходных волн с характерным временным масштабом в несколько дней. Высокочастотная изменчивость ветровой энергии может быть значительно уменьшена путем объединения выходных сигналов от 5 до 10 ветряных электростанций, равномерно распределенных по региону из десяти штатов в Центральной США. Более 95% оставшейся изменчивости связанной системы сосредоточено на временных масштабах более суток, что позволяет операторам использовать преимущества многодневных прогнозов погоды при планировании прогнозируемых вкладов ветра.
Технологические решения для смягчения крупномасштабных воздействий. Существуют непостоянные типы ветровой энергии, такие как увеличенное межсоединение (Европейская суперсеть ), реакция на спрос, управление нагрузкой (в Британской национальной сети, Частотная характеристика / схемы типа National Grid Reserve Service), а также использование существующих электростанций в режиме ожидания. Крупные распределенные электрические сети лучше справляются с высокими уровнями проникновения, чем небольшие изолированные сети. Для гипотетической общеевропейской энергосистемы анализ показал, что уровни проникновения ветровой энергии до 70% являются жизнеспособными, и что стоимость дополнительных линий электропередачи будет составлять лишь около 10% от стоимости турбины, что дает мощность примерно в настоящее время. дневные цены. Меньшие сети могут быть менее устойчивы к высоким уровням проникновения.
Согласование спроса на мощность с поставкой не является проблемой, специфичной для источников прерывистого питания. Существующие электрические сети уже содержат элементы неопределенности, включая внезапные и большие изменения спроса и непредвиденные отказы электростанций. Хотя электрические сети уже спроектированы так, чтобы иметь некоторую мощность, превышающую прогнозируемую пиковую нагрузку, для решения этих проблем, могут потребоваться значительные обновления для размещения больших объемов прерывистой мощности. В Международном энергетическом агентстве (МЭА) говорится: «В случае ветроэнергетики оперативный резерв - это дополнительный генерирующий резерв, необходимый для обеспечения того, чтобы можно было удовлетворить различия между прогнозируемыми и фактическими объемами производства и спроса. Следует отметить, что уже значительные объемы этого резерва работают в сети из-за общих требований к безопасности и качеству сети. Ветер предъявляет дополнительные требования только в той мере, в какой он увеличивает изменчивость и непредсказуемость. Однако в этих факторах нет ничего нового системным операторам. Добавляя еще одну переменную, энергия ветра изменяет степень неопределенности, но не ее вид... "
При достаточном накоплении энергии очень изменчивые и прерывистые источники могут обеспечивать электроэнергией все регионы. Чтобы солнечная энергия обеспечивала половину всей электроэнергии и используя коэффициент мощности солнечной энергии 20%, общая мощность солнечной энергии составила бы 250% от средней дневной нагрузки сети. Для ветра, обеспечивающего половину всей электроэнергии, и с использованием коэффициента ветровой мощности 30%, общая мощность ветра составит 160% от среднесуточной нагрузки сети.
В гидроаккумулирующем сооружении будет храниться достаточно воды для еженедельная нагрузка сети с мощностью для пиковой нагрузки, то есть: 200% от средней сети. Это обеспечит одну неделю пасмурной и безветренной погоды. Существуют необычные затраты, связанные с хранением в зданиях, и общая генерирующая мощность в шесть раз превышает среднюю по сети.
По состоянию на 2019 год соединители и водород, по прогнозам, будут гораздо больше использоваться для экспорта VRE.
Все источники электроэнергии имеют некоторую степень изменчивости, как и модели спроса, которые обычно вызывают большие колебания в количестве электроэнергии, которую поставщики подают в сеть. Там, где это возможно, процедуры эксплуатации сети разработаны таким образом, чтобы обеспечить соответствие спроса и предложения на высоком уровне надежности, а инструменты воздействия на спрос и предложение хорошо разработаны. Внедрение крупных объемов производства электроэнергии с высокой вариабельностью может потребовать изменений в существующих процедурах и дополнительных инвестиций.
Мощность надежного возобновляемого источника энергии может быть достигнута за счет использования резервного
