Пікери та балансери: яких технологій потребує енергосистема України

“Зелену” енергію балансуватимуть не лише батареї 

“Зелений” енергетичний перехід – це невпинний процес, до якого Україна долучилася разом з рештою країн світу. Невіддільним супутником збільшення частки ВДЕ в енергосистемі є необхідність її балансування, пов’язана з непостійним характером виробництва електроенергії з вітру й сонця. Потреба у будівництві високоманеврених потужностей для України обговорюється на всіх рівнях. При цьому останнім часом з’явилася певна плутанина в термінах “пікові” та “балансуючі” потужності. Часто, говорячи про балансування, намагаються їх ототожнювати лише з батареями, що не є правильним.

Джерело: Українська енергетика

Питання набуває додаткової актуальності з огляду на те, що в Україні найближчим часом очікується оголошення конкурсу на державну підтримку будівництва генеруючих потужностей та виконання заходів з управління попитом.

Чим відрізняються різні технології забезпечення гнучкості енергосистеми в умовах зростання частки “зеленої” генерації та яка з цих технологій є оптимальною для України в найближчі часи?

“Зелена” енергія потребує все більше балансування

Необхідність збільшення гнучкості енергосистем країн та територій на тлі зростання в них частки “зеленої” генерації є загальносвітовим трендом. За оцінками Gas to Power Journal, глобальний приріст потужностей зі змінних відновлюваних джерел становитиме більше половини від загального обсягу до 2040 року.

Згідно із сценарієм нової політики (New Policies Scenario) Міжнародного енергетичного агентства, світовий попит на електроенергію зросте більше, ніж на 20% протягом наступного десятиліття, тоді як попит на гнучкість, тобто здатність енергосистеми швидко адаптуватися до змін в енергопостачанні й енергосистемі, збільшиться приблизно на 80%. Тому гнучкість називають наріжним каменем майбутніх систем електроенергетики.

Згодом усе більшу роль у забезпеченні гнучкості мереж будуть відігравати батареї, але поки що основне навантаження в цьому напрямі лежить на інших технологіях. На те є причина – висока вартість накопичувачів великої ємності, яка робить їх широке застосування неконкурентоздатним. 

“Усі батареї, про які зараз активно пишуть, є короткочасними, – зауважив директор з розвитку ринків фінської компанії Wärtsilä Energy в Східній Європі Ігор Петрик. – Для того, щоби робити перенос енергії на рівні доби або більше, потрібні батареї із тривалістю акумулювання 4-8 годин”. 

Коли вартість великих систем накопичення енергії з ємністю, достатньою для їх роботи протягом кількох годин, стане конкурентоздатною, лише тоді можна буде розраховувати на прорив у їх використанні для балансування. 

Наразі у світі для цього найбільш широко використовують газопоршневі, газотурбінні та парогазові установки. В Україні балансують здебільшого за допомогою вугільної генерації. Водночас тут важливо зазначити, що деякі технології використовуються вимушено (бо ці потужності були збудовані в енергосистемі раніше) і за відсутності поки що нових сучасних рішень, необхідних в енергосистемі з високою часткою ВДЕ.       

Які технології балансування зростатимуть, крім батарей

Відповідно до найдешевшого сценарію розвитку потужностей ОЕС України від Wärtsilä, електроенергія з сонця й вітру стане базовою та буде домінувати за обсягами вже з середини 2030-х років, а до 2050 року сягне 83%. Тоді потужності СЕС та ВЕС становитимуть 44 ГВт та 35 ГВт відповідно. При цьому встановлена потужність маневрених газових станцій буде 18 ГВт. Батареям ця модель відводить теж 18 ГВт станом на 2050 рік. 

У ближчих часових горизонтах, починаючи з 2023 року, буде стрімко зростати вітрова й маневрена газова генерація. “На 2030 рік потрібно мати 9 ГВт маневреної газової генерації, – зауважив Ігор Петрик. – І це йде цілком в руслі прогнозу Bloomberg NEF”. 

Джерело: Wärtsilä Energy

Як наголосив фахівець, варто розуміти, що коли мова заходить про високоманеврену потужність, маються на увазі різні технології. “Проте дуже часто багато хто, говорячи про потребу в маневрених потужностях, одразу переходить  виключно на батареї, – зауважив він. – Але не треба закривати очі на те, що газова генерація потрібна і зараз, і до 2050 року, що також підтверджує прогноз Bloomberg”.

За оцінкою фахівця, до переходу газової генерації на використання водню або інших невикопних газів пройдуть десятиліття – до 2040-х років, можливо трохи раніше в Німеччині. За даними прогнозу Bloomberg використання різних електроенергетичних технологій в світі за період з 2018 по 2030 роки  встановлена потужність батарей, як і балансуючих технологій на газу, зросте у 13 разів. Тобто очікується зростання, однакове за обсягом для обох напрямів. Для порівняння, приріст потужності вітрових та сонячних станцій  складе 3 і 2 рази, відповідно, за цей самий проміжок часу. Щоправда, для них точка відліку потужності вища. Тому й кратність зростання менш виражена, ніж для генерації на газу й систем накопичення. Однак, тут важливо усвідомити, що до 2030 року очікуються рівні темпи розвитку обох напрямів балансування – газового і “батарейного”.

У пікерів і балансерів різні ролі

Розмежування понять пікерів і балансерів важливе, зокрема, тому, що йдеться про те, які технології гнучкості енергосистеми варто розвивати в Україні в першу чергу, з огляду на співвідношення їхньої вартості й ефективності.

Як пояснив Петрик, на багатьох ринках газова генерація загалом представлена станціями базового навантаження (під якими частіше за все мають на увазі парогазові установки або інакше – газотурбінні установки комбінованого циклу), а також так званими пікерами. Під пікерами треба розуміти станції, які запускаються в нечастих ситуаціях, коли не вистачає потужності. 

“Але, згідно з дослідженнями та досвідом таких країн як Німеччина чи Велика Британія, їхні ролі будуть поступово змішуватися, – зауважив фахівець, – у тому сенсі що будуть посилюватися вимоги до маневреності газових потужностей базового навантаження, та змінюватися режими так званих пікерів у напрямі більш частих та швидких пусків-зупинок".

Одна з технологій, яку широко використовують для балансування ВДЕ в світі – парогазові станції. “До прикладу, в Німеччині існує багато великих парогазових станцій, які значно маневреніші за вугільні, отже їх використовують для балансування, – розповідає Петрик. – Але через технологічні особливості вони не можуть швидко й часто вмикатися-вимикатися, тому що це викликає стрес для обладнання. Вони більше призначені для роботи в режимі постійних навантажень з обмеженим діапазоном регулювання потужності. Коли навантаження падає нижче певного рівня, вони мусять вимикатися, що для них є шкідливим”.

Існуючі великі парогазові станції в Європі будуть все більше працювати в маневреному режимі, про що свідчить прогноз Bloomberg. “Таким чином, великі парогазові станції у Німеччині переймають на себе роль часткового балансування, регулюючи потужність у все більш широкому діапазоні, що, втім, є не дуже ефективним. Але їх використовують, перш за все, тому, що вони вже є в енергосистемі ”, – резюмував фахівець.

В Україні таких станцій немає, тож сенсу їх будувати для використання протягом наступних 30 років, на переконання Петрика, теж немає, тому що вони не призначені для циклічної роботи, а базового навантаження більш-менш рівним графіком для них вже не буде.  

Друга газова технологія – газотурбінні станції (станції прямого циклу). Вони можуть стояти у резерві, за потреби запускатися за 15-20 хвилин і вимикатися без шкоди для себе, коли потреба в них зникає.

“Суть пікера полягає у тому, що його використовують як резерв потужності, коли енергосистемі її не вистачає. Це не пов’язано з ВДЕ, – пояснює фахівець. – Така потреба може з’явитися в аварійній ситуації (якийсь блок вимкнувся через аварію або відімкнулася лінія електропередач, яка відключила цілий регіон абощо). Пікер виконує виключну, нещоденну роль. Але сама назва прижилася, й зараз говорять про те, що пікери будуть відігравати роль балансуючої потужності у зв’язку з появою великої кількості потужностей з відновлюваних джерел”.

У Wärtsilä  впевнені, що використання газотурбінної станції (пікера) з відносно невисоким паливним ККД та значною вартістю кожного пуску для балансування енергосистеми є неефективним, що також підтверджують дані досліджень. “Bloomberg прогнозує зростання коефіцієнта використання встановленої потужності пікерів, отже їх паливна ефективність матиме більше значення. Тому будувати пікери для балансування ВДЕ також не правильно, – робить висновок фахівець фінської компанії. – І великі парогазові станції,  і пікери – це потужності, які вже були побудовані якийсь час тому. Якщо вони наявні, є сенс їх використовувати для балансування. Але це не той випадок, коли треба вкладати кошти в будівництво саме таких нових станцій”.

Україні варто будувати те, що задовільнить актуальну технічну потребу. Йдеться про технологію балансування, що вмикається багаторазово протягом доби, працює на різних навантаженнях, з великим діапазоном регулювання. Якщо для пікера, який більшу частину часу стоїть у резерві, паливна ефективність досі не мала великого значення, то для установки, яка буде працювати 20-25% часу, енергія має бути дешевшою. “Ми називаємо це “балансер”, – пояснює Петрик. – “Він має балансувати відновлювані джерела, виконуючи щоденну функцію, не аварійну й непрогнозовану. Тому тут важливий як обсяг капітальних витрат (вартість обладнання й будівництва), так і розмір експлуатаційних витрат, тобто щоб енергія була не дорогою”.

У чому перевага газопоршневих станцій  

Порівнюючи парогазову установку й газотурбінну станцію, бачимо, що у парогазових установок (ПГУ) висока паливна ефективність (до 60%), яка, щоправда, суттєво знижується при роботі на частковому навантаженні. При цьому ПГУ є дорогими  у будівництві й не дуже маневреними. Тобто технологія досить ефективна, але дорога.

Пікери – газотурбінні установки – відносно дешеві в капітальних видатках. “Якщо будівництво ПГУ коштує близько 1200 євро за кВт встановленої потужності, то будівництво 1 кВт газотурбінної станції обійдеться у 600-700 євро, але коефіцієнт корисної дії (ККД) в неї зазвичай близько 40%, а на часткових навантаженнях, що є зараз вимогою, він взагалі падає до 30%. Крім того, особливістю газотурбінних технологій є обмеження циклічності роботи, що, наприклад, має вираження у вартості кожного пуску станції, – пояснює Петрик. – Тобто, газотурбінні установки є відносно дешевшими, але для балансування не ефективними, тому що електроенергія, вироблена ними, буде дорожчою”.

У газопоршневих станцій капітальні витрати такі самі, як у газотурбінних станцій (600-700 євро на 1 кВт), а ККД в них близько 50%. Тобто електроенергія буде як мінімум на чверть дешевшою, ніж та, яку виробляє газотурбінна станція. Таке співвідношення капітальних та експлуатаційних витрат є суттєвою перевагою. Отже при застосуванні як для балансування ВДЕ, так і “підхоплення” піків газопоршневі станції є універсальною технологією і найдешевшим рішенням.

Як розвиваються балансуючі технології в світі

“Сучасні балансуючі потужності найбільш розвинені на повністю лібералізованих ринках, – підкреслює представник Wärtsilä. – Це буквально кілька енергосистем, наприклад Техас, де ринок абсолютно вільний, а волатильність відстежується ринком реального часу, що торгується та постачається кожні 5 хвилин. Це дає змогу інвесторам заробляти, слідкуючи за балансом попиту і пропозиції. Там побудована велика кількість балансерів, тому що це затребувано ринком”.

Цікавий приклад Німеччини, де паралельно з годинним ринком існує 25-хвилинний, і ціна на ньому поводить себе іншим чином, ніж на годинному. За оцінкою Петрика, це є великою перевагою.

У багатьох країнах ЄС (Німеччина, Італія, Франція, Польща, Литва) впроваджують механізми держпідтримки будівництва балансуючих потужностей. Як розповів “Українській енергетиці” Арбен Кллокочі, експерт з електроенергетики Ради органів регулювання Енергетичного Співтовариства (ECRB) при Секретаріаті Енергетичного Співтовариства, держави ЄС розробили певні механізми підтримки потужностей, які мають забезпечити балансову надійність енергосистеми й сприяти вирішенню проблем безпеки постачання. Але також він наголосив на відповідальності при застосуванні даних механізмів.

“Країни повинні проводити сувору оцінку балансової надійності, яка має виходити за їх межі, і тільки тоді, коли шляхом такої оцінки країни зможуть довести, що енергоринок не зможе здійснити необхідні інвестиції, може бути розроблена та впроваджена програма підтримки, яка повинна відповідати певним умовам, пов'язаним з державною підтримкою, прозорістю, нейтралітетом щодо різних учасників ринку та оптимізацією економічної ефективності”, – зазначив експерт.

При цьому Кллокочі зауважив, що в країнах ЄС механізм балансування вважається сегментом вільного та відкритого ринку. “Втручання органів державної влади є дуже обмеженим, – зауважив він. – В Європейському Союзі розбудовується система, включно з платформами для транскордонного обміну балансуючими послугами, яка має на меті забезпечити оптимізацію ринку балансувальних ресурсів по всій Європі. Цього вимагає законодавство ЄС, що в найближчому майбутньому буде включено до нормативно-правової бази Енергетичного Співтовариства”.

Що потрібно для інвестицій у нові балансуючі потужності в Україні

Відповідно до постанови Кабміну, оператор системи передачі “Укренерго” може ініціювати перед Міненерго проведення конкурсу на будівництво нової потужності з держпідтримкою. Такий конкурс був анонсований кілька разів. Саме системний оператор має визначати, яких потужностей і з якими характеристиками не вистачає в енергосистемі.

Як повідомили “Українській енергетиці” в “Укренерго”, системний оператор повинен розробити проєкт конкурсної документації та подати її на затвердження конкурсній комісії, яка формується відповідно до постанови Кабміну. Це має відбутися після прийняття рішення Кабінетом міністрів про оголошення конкурсу на будівництво генеруючих потужностей. “Наразі такого рішення уряду ще немає”, – зазначили в компанії.

Для мінімізації ризиків, пов’язаних з тим, що конкурс проводитиметься вперше і процедури конкурсу не відпрацьовані, “Укренерго” запропонувало провести його не на повний обсяг потреби (2000 МВт), а лише на 500 МВт високоманеврових генеруючих потужностей зі швидким стартом, які критично необхідні енергосистемі для забезпечення наявності гарантованих резервів заміщення та швидкодіючих резервів вторинного регулювання. При цьому забезпечити розвиток нової потужності в обсязі 100 МВт пропонується в зоні “острова Бурштинської ТЕС” і 400 МВт – в основній частині ОЕС України. 

За інформацією системного оператора, однією з ключових технічних вимог до генеруючих одиниць є їхня здатність щонайменше 4 рази протягом доби забезпечувати пуск/зупинку із швидкістю виходити на максимальну потужність не більше ніж за 15 хвилин від моменту отримання диспетчерської команди. Це може бути будь-яка технологія, що відповідає технічним характеристикам та завданням конкурсної документації.  

Як розповіли в “Укренерго”, пропозиції системного оператора з докладними технічними вимогами зараз знаходяться на опрацюванні в Міненерго, остаточний вид яких буде сформований і включений у конкурсну документацію, яку затвердить конкурсна комісія. Протягом десяти днів після цього затвердження затверджена документація буде опублікована на офіційних веб-сайтах Міненерго, “Укренерго” та надана Секретаріату Енергетичного Співтовариства. 

Як сказала “Українській енергетиці” перший заступник міністра енергетики Ольга Буславець, конкурс на будівництво балансуючих потужностей і систем управління попитом, скоріше за все, буде оголошений на початку наступного року.

Серед потенційних інвесторів цього напряму, напевне, слід очікувати компанії ДТЕК, “Донбасенерго”, “Київтеплоенерго”… “Існуючий портфель активів енергокомпаній в Україні не є конкурентоздатним у майбутньому ринку через зношеність і невисоку ефективність технологій, які спалюють багато палива, недостатню маневреність і т. ін. – зазначив Петрик. – Не здивуюся, якщо вони дивляться у цей бік і розглядають нові інвестиції”.

У “Донбасенерго” підтвердили цікавість до інвестицій у створення балансуючих потужностей. “Наразі ПАТ “Донбасенерго” вже провело переговори з основними виробниками високоманеврового обладнання і планує брати активну участь у конкурсі на будівництво балансуючих потужностей”, –  сказав комерційний директор компанії Олег Ларіонов.

При цьому він зауважив, що хоча Україна наразі гостро потребує залучення коштів у сектор високоманеврової генерації, як на ринкових умовах, так і в рамках майбутньої конкурсної процедури на будівництво генеруючих потужностей, сьогоднішні ціни на ринку на додаткові послуги за ставками внутрішнього фінансування мають такий термін окупності, який не цікавий навіть для розгляду цього проєкту компаніями. “За ставками зовнішнього фінансування термін окупності становить близько 12 років”, – розповів Ларіонов, висловивши надію, що конкурси на будівництво балансуючих потужностей дозволять реалізувати проєкти з прийнятними термінами окупності.

На думку Петрика, щоби компанії ухвалювали рішення про будівництво балансуючих потужностей, має існувати ліквідний ринок електроенергії, який не буде обмежений граничними цінами (price caps). “Тоді буде більша  волатильність ціни, яка з’являтиметься тоді, коли не вистачатиме певної потужності, і саме цю потужність можна буде збудувати й заробити на цьому”, – пояснює він.

Нерівні умови для нової та існуючої генерації – це суттєвий фактор. “На старих станціях амортизація не включається в собівартість виробленої електричної енергії, бо їхні капітальні витрати давно замортизовані. Тоді як на нових об’єктах капітальні інвестиції збільшують собівартість електроенергії”, – зазначив економічний експерт Ігор Ляшенко.

За оцінкою представника Wärtsilä, для того, аби новий гравець побудував нову потужність, треба щоби його капітальні витрати були виключені з конкуренції на ціну електроенергії, через те, що існуючі потужності конкурують лише змінними та умовно-постійними витратами. Без вилучення капітальних витрат з ціни на енергію, будь-яка, навіть найпередовіша, інвестиція не буде конкурентоздатною, хоч би вона й була дуже необхідною для енергосистеми.

“Нові гравці на виключно ринкових умовах заходити на ринок не будуть”, – вважає Петрик. На його переконання, щоби з’явилися умови для складання бізнес моделі з передбачуваним поверненням коштів, має бути ліквідний, конкурентний ринок електроенергії та механізми підтримки конкуренції для нових інвестицій. Для  цього треба прибрати адміністративні регулюючі механізми. При переході на 15-хвилинні ринки та на ринки без цінових обмежень, що вимагає законодавство ЄС, можливості розраховувати на прибуток будуть зростати. Поки ринок не буде вільним, інвестор без державної підтримки на будівництво чи бонусу за когенерацію навряд чи зайде. Як бачимо наразі, потреба в додаткових маневрених потужностях існує давно, але досі їх ніхто не будує.