Зелена енергія потребує чогось більшого, аніж просто сонячні панелі та вітрові турбіни
Стара приказка каже, що жоден добрий вчинок не залишається без покарання. Це, безумовно, правда стосовно впровадження зеленої енергетики. Ненадійність сонячної і вітрової енергії порівняно з викопним паливом добре знана, а разом з нею і супутня потреба у пристроях для зберігання, як-от великі акумуляторні батареї, для того, щоб згладити ситуацію.
Проте зелена енергія несе зі собою ще одну, більш підступну проблему. Сучасні електромережі працюють на змінному струмі, і він повинен мати фіксовану та надійну частоту (зазвичай 50 або 60 Гц). Стабільність цієї частоти підтримують за допомогою явища, званого інерцією мережі, що є результатом реальної фізичної інерції (яку описує перший закон руху Ньютона) в енерготурбінах електростанцій, що працюють на викопному паливі (а також гідро- та атомних електростанцій).
Ставка на обертання
Ці турбіни діють як масивні інерційні маховики. Допоки їхні струми на виході синхронізовані (а один із важливих елементів управління мережею полягає саме в підтриманні їх у цей спосіб), протидія змінам, що її забезпечує інерція турбін, стабілізує всю мережу. Чим менше цих турбін (на противагу вітровим турбінам, обертання яких не синхронізовано з мережею, та сонячних панелей, що взагалі не обертаються), тим меншу інерцію має мережа. А в деяких, особливо «зелених» країнах це стає проблемою аж настільки, що для того, щоб забезпечити відсутню інерцію, до системи додають маховики, які самі не генерують електроенергії.
Одним із таких місць є Велика Британія, яка виробляє близько 30% електроенергії за рахунок вітру та сонячного світла. Наприклад, 17 березня компанія National Grid ESO – як випливає з її назви, вона керує електромережею країни — перерізала стрічку на церемонії відкриття електростанції, яку збудувала поблизу міста Кіт на півночі Шотландії норвезька фірма Statkraft, що займається поновлюваною енергією. Інерцію на цій електростанції забезпечує пара сталевих маховиків (див. фото автопоїзда, потрібного, щоб їх довезти). Кожен із цих маховиків важить 194 тонни та обертається зі швидкістю до 500 обертів на хвилину.
Другий завод Statkraft мають відкрити восени біля Ліверпуля. Замість великих мас, що обертаються відносно повільно, тут ставку зроблено на менші маси, що обертаються швидко (1500 об/хв). Обидва підходи забезпечують приблизно однакову кількість інерції і разом зберігатимуть близько 2% інерції, потрібної зараз для підтримання британської мережі. Це відповідає інерційному внеску звичайної вугільної станції. Ба більше, пізніше цьогоріч National Grid ESO планує додати ще дві системи, збудовані компанією Siemens, щоб збільшити свій потенціал збереження інерції.
Втім, побудові нових маховиків є альтернатива, а саме зміна призначення старих — інакше кажучи, перепроектування наявних електростанцій на викопному паливі просто для зберігання інерції, а не виробництва електроенергії. National Grid ESO тестує також і цю ідею на колишній газовій електростанції на півночі Уельсу. У 2021 р. та запрацювала як маґазин інерційності.
Окрім цього, компанія сподівається розробити способи стабілізації мережі без швидкого обертання брил металу заради самого обертання. Це включатиме використання так званих мережевих інверторів.
Як сонячна енергія, що на виході з генеруючої панелі є постійним струмом, так і енергія вітру, що є струмом змінним, проте перед подачею в мережу все ще потребує коригування, обидві вони спершу зазнають перетворення за допомогою напівпровідникових пристроїв, званих інверторами. Так само це стосується постійного струму, отримуваного з накопичувачів, наприклад, батарей, що їх використовують для згладжування неоднорідності енергії сонця та вітру.
Існуючі інвертори описують як такі, що «слідують за мережею». Це означає, що вони контролюють і допасовують струм до встановленої частоти мережі, яку живлять. Це досить добре підходить для керування мережами, де сонячна і вітрова енергія забезпечують лише невелику частку загальної потужності, однак стає дедалі менш придатним, коли ця частка зростає. Втім, інвертори можна запроектувати так, щоб вони натомість «формували мережу» — це означає, що струм, який вони видають, імітує зовнішній стабілізуючий ефект механічної інерції. Використання інверторів, що формують мережу, замість інверторів, що за мережею слідують, повинно дозволити легко інтегрувати в мережу набагато більше енергії вітру й сонця.
Донедавна інвертори, що формують мережу, тестували лише в невеликих масштабах. Однак у січні британський енергетичний регулятор Ofgem підписався під технічним стандартом, прийнятним як для виробників, так і постачальників послуг. Це уможливить широкомасштабне розгортання цих конверторів. Джуліан Леслі, головний інженер National Grid ESO очікує, що великі інвертори, які формують мережу, забезпечать інерційність протягом двох років.
Зв’язування мереж
Будучи островом, Британія має більш-менш автономну електромережу. Це робить її добрим місцем, щоби спробувати такий експеримент. Успіх заохотив би й інші острівні мережі, як реальні (наприклад, в Австралії та Ірландії), так і небуквальні (як-от у Техасі, який мало пов’язаний з рештою Північної Америки) спробувати зробити те саме. Більші мережі в Північній Америці та Європі, безсумнівно, будуть приглядатися збоку.
Отож, пошуки мережевої інерційності є прикладом буденних, але життєво необхідних коригувань для того, щоб узгодити зміни у виробництві й використанні енергії, які зараз відбуваються. Інші технології, від електромобілів і до постачання газоподібного водню, можуть мати вищий статус. Однак те, що відбувається внизу в машинному відділенні зеленої економіки, настільки ж важливо, якщо не більше.