Расширение использования возобновляемых источников энергии подвергается широкой критике за увеличение зависящих от погоды колебаний в производстве электроэнергии в Европе. Новое исследование показывает, что это связано не столько с изменчивостью погоды, сколько с неспособностью учитывать крупномасштабные погодные условия на всем континенте: многие европейские страны в одностороннем порядке следуют национальным стратегиям по расширению мощностей ветроэнергетики, не выходя за пределы своего собственного двора..
Однако было бы лучше, если бы отдельные страны работали вместе и способствовали расширению ветровой мощности в других европейских регионах, которые в настоящее время очень мало используют энергию ветра. Балансировка мощности по всему континенту позволит эффективно свести к минимуму экстремальные колебания, вызванные различными погодными условиями, которые в настоящее время влияют на скорость ветра. К такому выводу пришла группа исследователей погоды и энергетики из ETH Zürich и Имперского колледжа Лондона в новом исследовании, которое только что было опубликовано в журнале Nature Climate Change.
Объединение данных о погоде и производственных мощностей
Исследователи провели свое исследование, объединив общеевропейские данные о крупномасштабных погодных условиях за последние 30 лет с данными о производстве ветровой и солнечной электроэнергии. При этом использовалась платформа Renewables.ninja, разработанная в ETH Zürich для моделирования производительности европейских ветряных и солнечных электростанций на основе исторических данных о погоде. Этот открытый инструмент моделирования доступен для использования во всем мире в рамках усилий по повышению прозрачности и открытости науки.
Исследователи использовали эти данные, чтобы смоделировать, как энергия ветра связана с семью преобладающими «погодными режимами» в Европе и как она изменится с дальнейшим расширением мощностей ветровой энергии. Эти погодные режимы объясняют, почему европейское производство ветровой электроэнергии страдает от колебаний, продолжающихся несколько дней.
Некоторые режимы характеризуются циклонами, надвигающимися из Атлантики и приносящими в Западную Европу сильные ветры, но они сопровождаются одновременным штилем на востоке. Другие режимы видят более спокойную погоду с Атлантики. Но в то же время на юге Европы и севере Скандинавии скорость ветра постоянно увеличивается.
«Едва ли найдется такая погодная ситуация, при которой на всем континенте не было бы ветра, и, следовательно, всей Европе не хватило бы ветроэнергетического потенциала», - объясняет Кристиан Грэмс, ведущий автор исследования из Института атмосферных и климатических наук. в ETH Zurich.
Однако современные ветряные электростанции распределены по Европе неравномерно, в основном в странах, граничащих с Северным морем. Это приводит к неравномерному производству ветровой электроэнергии, поскольку большая часть мощностей установлена в соседних странах с аналогичными погодными условиями. Это означает, что если стабильная система высокого давления вызовет затишье на несколько дней или даже недель над Северным морем, как это произошло зимой 2016/17 года, производство ветровой электроэнергии по всей Европе резко упадет.
Сотрудничество компенсирует колебания
Проблема энергетической системы Европы будет усугубляться странами, которые следуют своим собственным национальным стратегиям расширения ветроэнергетики, что приведет к дальнейшей концентрации мощностей в регионе Северного моря. Это приведет к еще более резким колебаниям: разница между высокой выработкой при благоприятных ветровых условиях и низкой выработкой во время затишья может достигать 100 гигаватт - примерно такой же мощности, как 100 атомных электростанций, - и ее необходимо будет сделать доступной или сдерживался в течение всего нескольких дней.
Если бы европейские страны сотрудничали и создавали будущие ветряные электростанции, основываясь на понимании погодных режимов в континентальном масштабе, колебания будущей ветровой энергии можно было бы стабилизировать на нынешнем уровне около 20 гигаватт. Балканы, Греция, западное Средиземноморье и северная Скандинавия - все это потенциальные места.
Во всех этих местах было бы достаточно ветра, если бы, например, высокое давление привело к затишью в Северном море. Точно так же, если стабильная область высокого давления замедлит производство ветра в Средиземном море, ветряные электростанции вокруг Северного моря будут производить достаточно электроэнергии. «Вот почему ветряные мощности в таких странах, как Греция или Болгария, могли бы стать ценным противовесом нынешним ветряным электростанциям Европы. Однако это потребует смены парадигмы в стратегиях планирования стран с потенциалом ветроэнергетики», - подчеркивает соавтор Иэн. Стаффелл из Имперского колледжа Лондона.
Хранение электроэнергии невозможно
Авторы говорят, что было бы трудно хранить электроэнергию в течение нескольких дней, чтобы компенсировать эти многодневные колебания - например, с помощью аккумуляторов или аккумулирующих озер в Альпах - поскольку необходимое количество аккумулирующей способности не будет будут доступны в обозримом будущем. Современные технологии хранения больше подходят для компенсации более коротких колебаний в несколько часов или дней.
Более того, более широкое географическое распространение ветряных электростанций также требует расширения сети передачи. Однако такая панъевропейская система возобновляемой энергетики все же может дать Швейцарии возможность более экономично использовать свои гидроэнергетические мощности, чтобы компенсировать краткосрочные колебания.
Необходима политическая воля и расширение сети
Использование солнечной энергии для компенсации пропусков в течение нескольких дней будет работать в лучшем случае только на региональном уровне. Исследователи говорят, что для того, чтобы компенсировать колебания в Европе, мощность солнечной энергии должна быть увеличена в десять раз.
«Солнце часто светит в безветренную погоду, - объясняет соавтор Штефан Пфеннингер из Института экологических решений Швейцарской высшей технической школы Цюриха, - но зимой в центральной и северной Европе часто не хватает солнечного света для производства достаточное количество электроэнергии с помощью солнечных батарей.«Поэтому было бы мало смысла компенсировать колебания в энергии ветра массовым увеличением мощности солнечной энергии.
Исследователи теперь надеются, что производители энергии и сетевые операторы, а также правительства и политики узнают об этих новых открытиях и смогут лучше координировать общеевропейское планирование и расширение сети.