Массовые отключения электроэнергии в Техасе. Извлеченные уроки

Page 1

Page 2

148

мировой опыт

Массовые отключения
электроэнергии
в Техасе.
Извлеченные уроки

по

февраля

2021

года

мощная

волна

похолодания

обрушилась

на

многие

штаты

США

результате

Техасе

произошло

повсеместное

отключение

электроэнергии

миллиона

человек

остались

без

электричества

пра

–

вительство

было

вынуждено

ввести

действие

Трех

–

уровневую

предупредительную

систему

чрезвычайной

энергетической

ситуации

».

Крупномасштабные

продол

–

жительные

перебои

электроснабжении

серьез

но

по

–

влияли

на

меры

по

противодействию

эпидемии

также

на

производственные

процессы

социальную

жизнь

регионе

основном

ситуация

экономикой

энерго

–

системой

Техаса

уже

разрешена

однако

анализ

случив

–

шегося

энергетического

кризиса

может

быть

полезен

при

строительстве

эксплуатации

энергосистем

других

частях

мира

ОБЗОР

ЭКОНОМИКИ

ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

ТЕХАСА

Техас находится на втором

мес те среди штатов США по

уровню экономики. Протяжен-

ность Техаса с востока на за-

пад и с севера на юг составляет

около 1200 километров, а общая

площадь — приблизительно

700 000 квадратных километ-

ров, что соответствует второму

месту в Соединенных Штатах

(больше только на Аляске). На-

селение достигает 29,36 милли-

она человек, уступая только Ка-

лифорнии. Валовый внутренний

продукт (ВВП) Техаса в 2019 году

составил около 1,9 триллиона

долларов США и соответствует

второму показателю среди всех

штатов США после Калифорнии

(3,1 триллиона долларов США).

Штат Техас является лиде-

ром в США по объему потребле-

ния электроэнергии. В 2019 году

генерация в штате достигла

483,2 миллиарда киловатт-часов,

а потребление — 429,3 милли-

арда киловатт-часов, при этом

потребление электроэнергии на

душу населения составило поч-

ти 15 000 киловатт-часов. Что

касается структуры потребления

электроэнергии, то здесь циф-

ры в жилищном, коммерческом,

промышленном и транспортном

секторах разошлись в пропорции

36,2%, 33,1%, 30,7% и 0,04%.

Средняя цена продажи электро-

энергии в 2019 году составила

около 8,6 цента за кВт∙ч, что со-

ответствует уровню ниже средне-

го в США (в среднем по стране

10,54 цента за кВт∙ч). При этом,

цены на электроэнергию для жи-

лищного, коммерческого, про-

мышленного и транспортного сек-

торов закрепились на отметках

11,76, 8,06, 5,45 и 6,44 цента за

кВт∙ч.

При

подготовке

статьи

использованы

материалы

Организации

по

разви

–

тию

сотрудничеству

области

глобального

объединения

энергосистем

GEIDCO,

опубликованные

№

3/2021

издания

GEI Information.

Page 3

149

В энергоснабжении Техаса

преобладают газ и электричество.

По состоянию на конец 2020 года

общая установленная мощность

генерации в Техасе составляет

120 ГВт, из которых 108 ГВт нахо-

дятся в юрисдикции (диспетчер-

ские операции и рыночные тран-

закции) Совета по надежности

электроснабжения Техаса (Electric

Reliability Council of Texas, Inc.,

ERCOT). На ERCOT приходятся

51,67 ГВт, 31,39 ГВт, 13,63 ГВт,

6,18 ГВт и 5,15 ГВт установлен-

ной мощности газовой, ветровой,

угольной, солнечной (фотоэлек-

трической и солнечной тепловой)

и ядерной энергетики, что состав-

ляет 47,5%, 28,8%, 12,5%, 5,7%

и 4,7% соответственно. Установ-

ленная мощность других видов

генерации не превосходит 0,8%.

В 2019 году общая выработка

электроэнергии в Техасе достигла

483,2 млрд кВт∙ч, из которых на га-

зовую, ветровую, угольную, ядер-

ную и солнечную энергии при-

ходилось 45,5%, 22,8%, 17,9%,

10,9% и 2,3% соответственно

(другие виды выработки электро-

энергии обеспечили около 0,6%).

Техас имеет слабые взаимо-

связи с соседними энергосисте-

мами. Чтобы избежать управ-

ления своей энергосистемой со

стороны федерального прави-

тельства, штат всегда занимал-

ся этим самостоятельно. Про-

мышленная частота напряжения

в электрической сети Техаса со-

ставляет 60 Гц, общая протяжен-

ность линий электропередачи

достигает примерно 80 000 км,

а суммарная мощность для об-

мена с энергосистемами сосед-

них штатов США и Мексики не

превосходит 1,25 ГВт. Таким об-

разом, энергосистема Техаса, по

сути, является изолированной.

ОТКЛЮЧЕНИЯ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

АНАЛИЗ

ПРИЧИН

13–17 февраля волна похолода-

ния из Сибири достигла централь-

ной и южной части Соединенных

Штатов и распространилась до

Мексиканского залива, что при-

вело к наступлению сильнейших

морозов и обильных снегопадов

и вызвало отключения электри-

чества, коснувшиеся 9,7 милли-

онов человек в США и Мексике

(самый масштабный перерыв

в электроснабжении в Северной

Америке после массовых отклю-

чений электроэнергии в США

и Канаде в 2003 году), при этом

Техас стал одним из наиболее

пострадавших регионов.

Из-за дефицита генерируе-

мой мощности Техасу пришлось

принять альтернативные меры

по отключению электроэнергии,

которое в разных областях дли-

лось от нескольких часов до трех

с половиной дней. Ранним утром

15 февраля ERCOT ввел в дей-

ствие «Трехуровневую предупре-

дительную систему о чрезвычай-

ной энергетической ситуации».

В 1:23 был отключен 1 ГВт мощ-

ности нагрузки, далее в 1:47 еще

1 ГВт и в 1:51 дополнительно

3 ГВт. Синхронная частота в энер-

госистеме упала до 59,3 Гц. От-

ключения продолжились: 3,5 ГВт

в 1:55 и еще 2 ГВт в 2:00. Сум-

марная отключенная мощность

нагрузки достигла 20 ГВт, продол-

жительность перерыва в электро-

снабжении составила 70,5 часов.

Только 19-го числа ситуация по-

степенно начала стабилизиро-

ваться.

Министерство энергетики США

(Department of Energy, DOE),

Североамериканский совет по

надежности электроснабжения

(North American Electric Reliability

Corporation, NERC) и ERCOT счи-

тают, что случившийся энергети-

ческий кризис преимущественно

вызван тремя основными причи-

нами.

№

3 (66) 2021

Page 4

150

Резкое

увеличение

электри

–

ческой

нагрузки

снижение

генерации

различных

электростанций

Средняя электрическая на-

грузка в Техасе зимой составляет

около 40 ГВт. Во время прихода

волны похолодания температу-

ра в некоторых районах упала до

–22°C ~ –2°C, а самая низкая

температура в Хьюстоне и дру-

гих местах достигла рекордного

уровня за более, чем 100 лет.

С 7 по 13 февраля пиковое по-

требление мощности в штате

превысило 60 ГВт, и энергоси-

стема с трудом справлялась

с удовлетворением спроса на

электроэнергию. С 14 по 17 фев-

раля потребность увеличи-

лась до 60–76,82 ГВт, превы-

сив на 2,44 ГВт максимальную

мощность нагрузки в августе

2020 года (74,38 ГВт).

Плохая погода вызвала рез-

кий спад генерирующих мощно-

стей. Согласно данным ERCOT,

из более 680 электростанций

в их юрисдикции у 356 выходная

мощность снизилась на 46 ГВт,

что составляет 42,8% от общей

установленной мощности, при

этом частота в энергосистеме

упала до 59,3 Гц. Мощность элек-

тростанций, работающих на газе,

снизилась с 45 ГВт перед волной

похолодания до 25–30 ГВт (ри-

сунок 1). Выработка ветровой,

угольной и ядерной энергии сни-

зилась с 10 ГВт, 10 ГВт и 5 ГВт

до 5 ГВт, 7,5 ГВт и 4 ГВт соот-

ветственно. Производство сол-

нечной энергии, напротив, уве-

личилось. Изменение мощности

различных генерирующих источ-

ников показано в таб лице. 1.

Огромный разрыв в потребле-

нии и генерации значительно пре-

высил спрогнозированные значе-

ния. Перед волной похолодания

сотрудники ERCOT предполагали,

что выработка тепловой энер-

гии снизится на 8 ГВт, а ветровой

энергии — на 5 ГВт. Ожидалось,

что максимальная потребляемая

мощность достигнет 67 ГВт. Таким

образом, было решено, что энер-

госистема суммарной установлен-

ной мощностью 108 ГВт является

полностью жизнеспособной. На

практике оказалось, что макси-

Табл. 1. Снижение генерируемых мощностей

различных электростанций в Техасе

Тип выработки

электроэнергии

Снижение

выходной

мощности

Причины снижения выработки

Газовая энергетика

28 ГВт

40% тепловых электростанций вышли

из строя, подача газа электростанциям

была ограничена, в основном, из-за

замерзания или прорыва газопроводов

Угольная энергетика

Атомная энергетика

Атомная электростанция была оста-

новлена из-за обледенений

Ветровая энергия

18 ГВт

Лопасти ветряных агрегатов замерзли

и не могли нормально работать

Солнечная энергетика

Уровень выработки стал выше

ИТОГО

46 ГВт

–

Рис

. 1.

Кривая

выработки

ERCOT

для

различных

источников

электроэнер

–

гии

(7–17

февраля

)

Газовая энергетика

Угольная энергетика

Атомная энергия

45
40
35
30
25
20
15
10

5
0

Вс

7 февраля

14 февраля

Вс

Пт

Пн

Сб

Вт

Ср

Чт

ГВт

Ветровая энергетика

Солнечная энергетика

Гидроэнергетика

Другое

мальная потребляемая мощность

в регионе с 14 по 17 февраля

достигла 76,82 ГВт, в то время

как генерируемая мощность со-

ставляла всего лишь 40–50 ГВт,

что озна чало разрыв в 20–29 ГВт

между потреблением и генера-

цией. Из-за дефицита электро-

энергии цена на нее на оптовом

рынке Техаса взлетела с обычных

0,05 долларов США за кВт∙ч до

9 долларов США за кВт∙ч, а одно-

дневные счета за электричество

некоторых жителей добрались до

отметки в 450 долларов США.

Резервной мощности энерго-

сис темы оказалось далеко недо-

статочно. В июне 2019 года Се веро-

американский совет по на дежности

электроснабжения (NERC) опуб-

ликовал отчет, согласно которому

требуемое правительством Теха-

са значение резервной мощности

сис темы должно составлять 13,8%

(на самом деле, было 9%), что на-

много ниже, чем требования 19,3%

от Независимого системного опе-

ратора (MISO), 24,8% от New York

Power Grid, 28,7% от Западного

энергетического координационно-

го совета (WECC), 29,0% от ком-

пании PJM, 30,7% от New England

Power Grid и 31,8% от Юго-восточ-

ной объединенной энергосистемы

(Southeast Power Pool).

Недостаточность

энерге

–

ти

ческого

резервирования

из

–

за

изолированной

работы

энергосистемы

Потенциал обмена энергией

с соседними энергосистемами

в юрисдикции ERCOT был суще-

ственно ограничен. В 2020 году

МИРОВОЙ ОПЫТ

Page 5

151

импортированная

элек-

троэнергия составила все-

го 1,3 миллиарда кВт∙ч,

что находится на уровне

0,3% от общей выработ-

ки электроэнергии. При

наступлении

энергети-

ческого кризиса переда-

ча электроэнергии извне

оказалась не более, чем

каплей в море на фоне

огромного разрыва между

потреблением и генераци-

ей. В 2009 году заинтере-

сованные стороны в США

запустили проект Tres

Amigas, в рамках которого

планировалось построить

три высоковольтные линии элек-

тропередачи пропускной способ-

ностью 5 миллионов киловатт

в двух энергосистемах Техаса,

а также восточной и западной

североамериканских энергосис-

темах. Проект был направлен на

усиление взаимосвязей между

тремя энергосистемами, однако,

существенного прогресса в его

реализации пока не было до-

стигнуто.

Недостаточная

подготовка

ответственных

ведомств

Сотрудники ERCOT не уде-

лили должного внимания на-

ступавшему похолоданию. Как

сообщают иностранные СМИ,

в ERCOT состоялось 150-минут-

ное совещание перед приходом

холодного фронта, однако на об-

суждение мер противодействия

природному явлению было по-

трачено менее 40 секунд. Кроме

того, не было разработано пла-

на реагирования на возможные

чрезвычайные ситуации.

Энергетическая инфраструкту-

ра не была модернизирована

с учетом экстремальных погодных

условий. В Техасе уже случались

перебои в электроснабжении

из-за наступления похолодания

в 2011 году. В этой связи, Феде-

ральная комиссия по регулирова-

нию энергетики выпустила отчет,

согласно которому энергетиче-

ские объекты Техаса нуждаются

в защите от потенциального за-

мерзания в зимний период. Тем

не менее, многие энергетические

компании посчитали, что вероят-

ность наступления резких похоло-

даний в Техасе очень мала и ре-

шили не тратить слишком много

денег на модернизацию энергети-

ческой инфраструктуры.

Существенных недостатков

в диспетчеризации и функциони-

ровании энергосистемы зафик-

сировано не было. На этот раз

в Техасе не сообщалось об обру-

шении опор линий электропере-

дачи или обрывах проводов. Це-

лью предпринятых ограничений

мощности было предотвращение

широкомасштабных сбоев в ра-

боте энергосистемы. Высокие

цены на электроэнергию, в свою

очередь, сыграли важную роль

в распределении энергоресурсов

и реагировании на дефицит элек-

троэнергии.

РАБОТА

СОЛНЕЧНЫХ

УСТАНОВОК

Сокращение выработки электро-

энергии в Техасе произошло по

разным причинам. В то время

как некоторые ветряные турби-

ны были отключены из-за за-

мерзания лопастей и других

элементов (не все турбины были

достаточно защищены от атмос-

ферных воздействий), тепловые

электростанции остановились

после замерзания угля до твер-

дого состояния, а атомные — от

потенциальных рисков, которые

представляет собой холодная

погода для критически важного

оборудования.

Однако согласно имеющим-

ся данным, солнечные электро-

станции в штате продолжи-

ли свою работу и производи-

ли электроэнергию. Компания

Lightsource BP владеет и управ-

ляет солнечными установками

мощностью 260 МВт постоянно-

го тока в Техасе в округе Ламар

(чуть более 100 миль к северо-

востоку от Далласа). Компания

сообщила, что ее электростан-

ции продолжали вырабатывать

электроэнергию во время зим-

ней бури и функционировали

в обычном режиме с 8:00 до

18:00 в течение выходных. Кро-

ме того, в Lightsource BP отмети-

ли, что в понедельник 15 февра-

ля солнечные установки вышли

на уровень 80% от максималь-

ной генерации, несмотря на ра-

бочие условия.

Выработанная электроэнер-

гия была передана в энергосис-

тему ERCOT и использована

системным оператором для

электроснабжения критически

важных нагрузок. Суммарно

в период с 10 по 16 февраля

в штат было поставлено более

3,6 миллиона киловатт-часов

элек троэнергии.

Компания Engie North America

также подтвердила в своем за-

явлении, что ее солнечные уста-

новки продолжали выработку

электроэнергии согласно плану.

АВТОНОМНОЕ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

Солнечные установки на жилых

зданиях и накопители электро-

энергии также сыграли важную

роль во время зимней бури. Со-

№

3 (66) 2021

Page 6

152

гласно данным компании Sunrun,

занимающейся внедрением сол-

нечных панелей в жилом сек-

торе, к текущему времени она

успела установить их на крышах

в количестве нескольких тысяч

штук, что эквивалентно более

300 МВт мощности. Каждая из

упомянутых солнечных устано-

вок позволяет жителям самосто-

ятельно генерировать и потреб-

лять электроэнергию во время

перерывов в электроснабжении

от основной сети. Сотни из них

также оснащены дополнитель-

ными системами накопления

энергии, что позволяет потре-

бителям использовать электро-

энергию даже в экстремальных

погодных условиях.

Очевидное

преимущество

в возможности безопасно ге-

нерировать, накапливать и ис-

пользовать свою собственную

электроэнергию при авариях

в электрической сети также по-

влияло на популярность солнеч-

ной энергетики. По информации

Sunrun, всего лишь за одну не-

делю был зафиксирован скачок

посещаемости их веб-сайта из

Техаса в 350%.

Помимо прочего, домохозяй-

ства, получающие питание от

солнечных установок, были из-

бавлены от воздействия огромных

колебаний цен на электроэнер-

гию, связанных с ростом оптовой

стоимости электричества до ре-

кордных значений из-за проблем

со спросом и предложением.

Перед снежной бурей цены коле-

бались в районе 30–50 долларов

США за МВт∙ч, но в момент, когда

массово вышли из строя электро-

станции и спрос достиг пика, сто-

имость взлетела до 12 000 долла-

ров США за МВт∙ч.

Важно отметить, что неучас-

тие потребителей, обеспечен-

ных собственной генерацией,

в спросе на электричество при

его максимальных значениях ре-

ально облегчило условия функ-

ционирования энергосистемы

штата.

УРОКИ

КОТОРЫЕ

СЛЕДУЕТ

ИЗВЛЕЧЬ

Во-первых, следует уделять

больше внимания влиянию из-

менения климата на энерго сис-

тему. Экстремальные погодные

условия, такие как сильный хо-

лод, жара, ураганы, засухи и на-

воднения всегда будут бросать

вызов ее нормальной работе.

Для Техаса характерен умерен-

ный и субтропический климат

с теплой зимой и жарким летом,

однако, он также подвержен на-

ступлению периодических по-

холоданий. В августе 2020 года

экстремальные погодные усло-

вия (чрезвычайно жаркая по-

года и лесные пожары) уже

вызывали отключения электро-

энергии в Калифорнии. По мере

того, как на планете становится

теплее, вероятность на ступ-

ле ния природных катаклизмов

только увеличивается. При этом

доля зависимых от погоды воз-

обновляемых источников энер-

гии (таких как энергия ветра

и солнца) также растет, что об-

уславливает

необходимость

предъявления еще более стро-

гих требований к надежности

энергосистемы.

Во-вторых, следует считать-

ся с фактом, что объединение

крупных энергосистем является

эффективным решением для

обеспечения безопасного и на-

дежного

электроснабжения.

При анализе произошедшего

было упомянуто, что непосред-

ственной причиной отключе-

ний электричества было отсут-

ствие нормальной взаимосвязи

между энергосистемами Теха-

са и прилегающих территорий.

Установленная мощность энер-

госистемы Техаса составляет

120 ГВт, однако повсеместные

и продолжительные перебои

в электроснабжении затронули

большую часть его территории.

Если Техас сможет усилить свя-

зи с прилегающими областя-

ми, то вероятность отключений

электроэнергии может быть зна-

чительно снижена. Поскольку

районы, подверженные воздей-

ствию экстремальных погодных

явлений, обширны, необходимо

наладить сетевую инфраструк-

туру и перейти от связей внутри

региона к межрегиональным или

даже трансграничным соеди-

нениям с другими энергосисте-

мами. Это позволит добиться

широкого распределения энер-

горесурсов.

В-третьих, необходимо ак-

центировать усилия на средне-

срочном и долгосрочном плани-

ровании работы энергосистемы

с целью устранения недостат-

ков в функционировании рынка

электроэнергии. С одной сто-

роны, Техас редко сталкивался

с волнами похолодания и испы-

тывал сложности в противодей-

ствии им в своей энергосисте-

ме. С другой стороны, переход

электроснабжения на рыночную

модель привел к недостаточ-

ным инвестициям в резервные

источники энергии. Как резуль-

тат — разница между потреб-

лением и генерацией не может

быть ликвидирована при экстре-

мальных погодных условиях. На

сегодняшний день рынок элек-

троэнергии не способен при-

влечь долгосрочные инвестиции

посредством ценовых сигналов.

Если правительство не достиг-

нет успехов в части обеспе-

чения контроля и глобального

планирования, энергетические

компании потеряют мотивацию

к модернизации энергосистемы.

Нужно учитывать, что в буду-

щем использование таких тра-

диционных источников энергии,

как уголь и газ будет постепен-

но прекращено, чтобы уступить

место возобновляемым источ-

никам энергии на основе солнца

и ветра. Кроме того, следует по-

нимать, что ответственность за

обеспечение безопасной и ста-

бильной работы энергосистемы

не должна лежать только на ней

самой. Вместо этого необходи-

ма взаимная поддержка и со-

трудничество со стороны пер-

сонала электроэнергетических,

топливных, водных, транспорт-

ных, коммуникационных и дру-

гих систем. При этом регулирую-

щие и законодательные органы

в штате теперь могут и должны

обеспечить условия, позволя-

ющие использовать солнечные

панели и накопители в качестве

источников энергии во время

системных аварий, как это уже

делается на других междуна-

родных рынках.

МИРОВОЙ ОПЫТ

Оригинал статьи: Массовые отключения электроэнергии в Техасе. Извлеченные уроки

Читать онлайн

С 11 по 17 февраля 2021 года мощная волна похолодания обрушилась на многие штаты США. В результате в Техасе произошло повсеместное отключение электроэнергии, 4 миллиона человек остались без электричества, и правительство было вынуждено ввести в действие «Трехуровневую предупредительную систему о чрезвычайной энергетической ситуации». Крупномасштабные и продолжительные перебои в электроснабжении серьез но повлияли на меры по противодействию эпидемии, а также на производственные процессы и социальную жизнь в регионе. В основном ситуация с экономикой и энергосистемой Техаса уже разрешена, однако анализ случившегося энергетического кризиса может быть полезен при строительстве и эксплуатации энергосистем в других частях мира.