Электростанции природного газа как резервные решения для возобновляемых источников энергии

Введение: вызов прерывистости в возобновляемых энергосистемах

Глобальный переход на возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, ускоряется. Эти источники предлагают обещание низкоуглеродной электроэнергии, но они вводят фундаментальную операционную задачу: прерывистость. Солнечная генерация прекращается ночью и падает во время облачного покрова, в то время как выработка ветра колеблется с изменением погодных условий. Без надежного резервного механизма операторы сетей рискуют нестабильностью частоты и, в худшем случае, отключениями электроэнергии. Электростанции природного газа появились как широко принятое решение для обеспечения балансирующей мощности, необходимой для сглаживания этих колебаний. В этой статье исследуются технические, экономические и экологические аспекты использования природного газа в качестве резервного источника возобновляемой энергии, рассматривая как текущее состояние развертывания, так и будущие инновации.

Роль газовых электростанций в стабильности сети

Электростанции, работающие на природном газе, служат гибкими активами генерации, которые могут быть быстро отправлены в соответствии со спросом. В отличие от угольных или атомных электростанций, которые предназначены для работы с базовой нагрузкой и требуют часов для запуска или изменения производительности, электростанции природного газа (особенно те, которые используют газовые турбины с комбинированным циклом или простым циклом) могут реагировать в течение нескольких минут. Это делает их идеальными для компенсации внезапных падений возобновляемой генерации - например, когда облачный банк проходит над солнечной фермой или когда скорость ветра неожиданно снижается. Во многих энергетических системах установки природного газа обозначены как «пиковые» установки, то есть они работают только в периоды высокого спроса или низкой возобновляемой продукции. Их способность циклически включаться и выключаться без значительных потерь эффективности позволяет операторам сети поддерживать стабильную частоту и напряжение.

Гибкость и рампы

Основным техническим преимуществом резервного копирования природного газа является его высокая скорость рампы - скорость, с которой установка может увеличить или уменьшить свою выходную мощность. Современные газовые турбины могут достичь скорости рампы от 5% до 10% номинальной мощности в минуту, что значительно превышает возможности угольных или атомных станций. Эта характеристика имеет важное значение для балансировки второй на второй изменчивости ветра и солнца. Например, если ветропарк внезапно теряет выход из-за порыва фронта, установка природного газа может увеличить генерацию в течение нескольких секунд, чтобы предотвратить падение частоты. Комбинированные газовые турбины (CCGT) заводы, в то время как немного медленнее, чем простые блоки цикла, все еще предлагают рампы, достаточные для большинства балансирующих потребностей. Гибкость резервного копирования природного газа также позволяет операторам сети уменьшить сокращение возобновляемых источников энергии - т.е. практика преднамеренного отключения ветровых или солнечных ферм, чтобы избежать перегрузки сети. Имея газовые установки, готовые поглощать избыточную генерацию в периоды высокой возобновляемой продукции, сокращение может быть сведено к минимуму, улучшая экономическую ценность возобновляемых активов.

Оперативные и экономические преимущества

Снижение капитальных затрат по сравнению с альтернативами

Строительство электростанции на природном газе обычно требует меньших первоначальных инвестиций, чем строительство угольной электростанции, ядерного реактора или крупномасштабного аккумуляторного хранилища. Газотурбинная установка с простым циклом может быть установлена примерно за 700-900 долларов за киловатт, в то время как комбинированные циклические установки варьируются от 1000 до 1200 долларов за киловатт. Напротив, системы хранения батарей в настоящее время стоят от 1300 до 2000 долларов за киловатт мощности, хотя цены падают. Для операторов сетей, ищущих экономически эффективный способ обеспечить резервную мощность для интеграции возобновляемых источников энергии, природный газ часто выступает в качестве наиболее доступного варианта в ближайшей перспективе. Кроме того, газовые установки имеют срок службы от 30 до 40 лет, обеспечивая долгосрочную стоимость для коммунальных услуг.

Наличие топлива и инфраструктуры

Природный газ извлекает выгоду из хорошо развитой глобальной инфраструктуры трубопроводов, терминалов сжижения и хранилищ. В таких регионах, как Северная Америка, Европа и части Азии, существующая сеть газопроводов позволяет надежно доставлять топливо на электростанции. Это контрастирует с дизельным топливом или тяжелым топливом, которое часто требует грузового или железнодорожного транспорта. Обилие природного газа - особенно в Соединенных Штатах, где добыча сланцевого газа выросла с 2000-х годов - сохраняет цены на топливо относительно низкими и стабильными. По данным Управления энергетической информации США (EIA), цены на природный газ оставались ниже 4 долларов США за миллион британских тепловых единиц (MMBtu) в течение большей части последнего десятилетия, что делает его экономичным топливом для производства электроэнергии. Однако волатильность цен на топливо может произойти из-за геополитических событий или экстремальных погодных условий, как видно во время зимнего шторма в Техасе 2021 года. Планировщики сетей должны поэтому учитывать устойчивость поставок топлива при использовании природного газа для резервного копирования.

Эффективность и операционная гибкость

Современные установки на природном газе комбинированного цикла достигают тепловой эффективности 60% или выше, что означает, что они преобразуют большую долю топливной энергии в электричество, чем угольные электростанции (обычно 33-40%). Эта высокая эффективность снижает потребление топлива и связанные с ним выбросы углекислого газа на мегаватт-час. Кроме того, установки на природном газе могут эффективно работать даже при частичной нагрузке - общий сценарий, когда они используются для резервного копирования переменных возобновляемых источников энергии. Некоторые газовые турбины предназначены для запуска и остановки несколько раз в день, не вызывая значительного износа, что делает их хорошо подходящими для велосипедной службы. Эта эксплуатационная гибкость является ключевой причиной, по которой природный газ часто сочетается с ветром и солнечной энергией в современных проектах сетей.

Экологические соображения и профиль выбросов

Более низкая интенсивность углерода, чем уголь или нефть

При использовании в качестве резервного топлива природный газ выделяет примерно на 50-60% меньше углекислого газа на единицу вырабатываемой электроэнергии по сравнению с углем. Он также производит незначительный диоксид серы и значительно меньше выбросов твердых частиц. Это делает природный газ «мостовым» топливом, которое может поддерживать декарбонизацию, в то время как мощность возобновляемых источников энергии расширяется. Однако важно отметить, что природный газ по-прежнему является ископаемым топливом, и его выбросы жизненного цикла включают утечку метана вверх по течению от добычи, транспорта и хранения. Метан является мощным парниковым газом, с потенциалом глобального потепления примерно в 28-36 раз больше, чем CO2 за 100-летний период. Исследования Фонда защиты окружающей среды и других организаций показали, что темпы утечки метана из некоторых цепочек поставок газа могут компенсировать климатические выгоды от переключения с угля. Поэтому сокращение утечек метана имеет важное значение для максимизации экологических показателей резервного копирования природного газа.

Углеродный захват и потенциал хранения

Для дальнейшего снижения выбросов от электростанций на природном газе разрабатываются технологии улавливания, утилизации и хранения углерода (CCUS). В настоящее время осуществляется несколько пилотных и коммерческих проектов, таких как проект Петра Нова в Техасе и проект Граничной плотины в Канаде, хотя они были сосредоточены в основном на угле. Для природного газа стоимость улавливания CO2 из выхлопных потоков, как правило, выше, чем для угля, поскольку концентрация CO2 в выхлопных газах газовых турбин ниже. Тем не менее, достижения в области улавливания CO2 и захвата прямого воздуха могут сделать CCUS экономически жизнеспособным в будущем. Проекты Международного энергетического агентства (МЭА) CCUS будут играть роль в декарбонизации энергии, работающей на газе, особенно если резервное копирование природного газа остается необходимым для стабильности сети в среднесрочной перспективе.

Влияние местного качества воздуха

Электростанции природного газа производят меньше местных загрязнителей воздуха, чем уголь или дизельное топливо. Однако они по-прежнему выделяют оксиды азота (NOx) и, в некоторых случаях, следовые количества окиси углерода и летучих органических соединений. Эти выбросы могут способствовать образованию озона на уровне земли и респираторным проблемам в окружающих сообществах. Современные газовые турбины используют горелки с низким содержанием NOx и системы селективного каталитического сокращения (SCR) для контроля этих выбросов. Операторы должны придерживаться строгих экологических норм, часто требующих постоянного мониторинга. Во многих юрисдикциях резервные установки природного газа подвергаются ограничениям выбросов, которые становятся более строгими по мере роста проникновения возобновляемых источников энергии, потому что эти установки работают с перерывами. Передовая технология контроля выбросов необходима для поддержания соответствия.

Интеграция с системами хранения энергии и гибридными системами

Синергия между природным газом и хранением аккумуляторов

В то время как одни только газовые установки могут обеспечить резервное копирование, объединив их с системами хранения энергии аккумуляторов, создают более эффективное и эффективное решение. Батареи могут реагировать на колебания мощности в миллисекундах, что делает их идеальными для регулирования частоты и краткосрочного баланса энергии. Заводы природного газа могут затем обрабатывать более длительное резервное копирование (часы), когда емкость хранения исчерпана. Эта гибридная схема снижает потребность в газовых установках для частого цикла, снижая потребление топлива и продлевая срок службы оборудования. Несколько коммунальных предприятий разрабатывают проекты хранения газа плюс хранение; например, Центр энергетики Gateway в Калифорнии объединяет газовую турбину мощностью 50 МВт с аккумуляторной системой мощностью 150 МВт. Такие гибридные системы также могут воспользоваться налоговыми льготами или стандартами портфеля возобновляемых источников энергии, которые поощряют низкоуглеродную диспетчерскую мощность. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (NREL) изучила оптимальный размер газовых и складских активов, обнаружив, что гибриды могут снизить уравновешенную стоимость твердых, диспетчерских мощностей на 10-20% по сравнению с решениями только для газа или только для хранения

Возобновляемый природный газ и электроэнергетика

Еще одним способом сокращения углеродного следа резервного копирования природного газа является использование возобновляемого природного газа (RNG), полученного из свалок, молочных ферм или очистных сооружений. RNG химически идентичен ископаемому природному газу и может быть введен в существующие трубопроводы, что позволяет газовым электростанциям работать на низкоуглеродном топливе. В некоторых регионах RNG уполномочена в качестве смеси в газоснабжении. Кроме того, технология «электроэнергия-газ» - с использованием избыточной возобновляемой электроэнергии для производства водорода с помощью электролиза, который затем может быть смешан с или заменить природный газ - предлагает более долгосрочный путь к резервному копированию с нулевым выбросом углерода. Хотя эти технологии все еще находятся на ранней стадии, пилотные проекты, такие как проект «Зеленый водород в газовых сетях» (HyDeploy) в Соединенном Королевстве, демонстрируют возможность впрыска водорода до 20% по объему без изменения существующих газовых турбин. Некоторые производители турбин (например, GE, Siemens, Mitsubishi) разрабатывают турбины, способные сжигать 100% водорода, который может полностью устранить выбросы CO2, при условии

Проблемы и ограничения

Зависимость от инфраструктуры ископаемого топлива

Несмотря на свою гибкость, резервное копирование природного газа остается зависимым от непрерывного предложения топлива. Во время экстремальных погодных явлений, таких как зимний шторм в Техасе в 2021 году или ураган Харви в 2017 году, поставки газа могут быть нарушены из-за замораживания скважин, отказов трубопроводов или потери электроэнергии для компрессоров. Эти события подчеркивают уязвимость, связанную исключительно с инфраструктурой ископаемого топлива для устойчивости сети. Планировщики сетей должны оценивать риск перебоев в поставках топлива и, где это возможно, диверсифицировать резервные ресурсы. Стратегии включают возможности двойного топлива (т.е. установки, которые могут сжигать как природный газ, так и дизельное топливо), хранение на месте сжиженного природного газа (СПГ) и программы реагирования на чрезвычайные ситуации. Кроме того, долгосрочные цели декарбонизации, установленные многими странами, подразумевают снижение роли неослабевающего природного газа, что создает неопределенность для инвесторов в новых мощностях, работающих на газе.

Экономическая жизнеспособность по мере увеличения проникновения возобновляемых источников энергии

По мере увеличения производства энергии ветра и солнца сокращаются рабочие часы резервных газовых установок. Это снижает доходы, которые они получают от продажи энергии, что затрудняет восстановление постоянных затрат. На многих рынках электроэнергии газовые установки в основном компенсируются за счет энергетических рынков, но при более низких факторах мощности они могут требовать оплаты мощности или контрактов на надежность, чтобы оставаться финансово жизнеспособными. В некоторых юрисдикциях введены «рынки мощности», которые платят генераторам за то, что они доступны, независимо от того, работают ли они на самом деле. Эволюция конструкции рынка важна для обеспечения того, чтобы резервные установки продолжали существовать, когда это необходимо. Кроме того, прогнозируемое снижение затрат на хранение может в конечном итоге сделать решения только для хранения конкурентоспособными с газом на срок до 8-12 часов, особенно в солнечных регионах. Для более длительного резервного копирования (например, многодневные низкие события возобновляемой продукции), природный газ или другие диспетчерские ресурсы все еще могут быть необходимы в обозримом будущем.

Регулирующие и разрешающие препятствия

Строительство новых электростанций на природном газе сталкивается с растущей оппозицией со стороны сообществ и экологических групп, обеспокоенных изменением климата и местным загрязнением. В таких штатах, как Калифорния, Нью-Йорк и Массачусетс, регулирующие органы приняли политику, которая препятствует новой генерации газа или требует строгого контроля выбросов. Процессы выдачи разрешений могут занять годы, а некоторые предлагаемые заводы могут быть отменены из-за общественного давления. И наоборот, существующим газовым заводам часто разрешается продолжать работать в соответствии с дедовскими положениями, но им могут быть предоставлены более жесткие правила, поскольку государства внедряют амбициозные стандарты чистой энергии. Размещение новых газовых установок также ограничено наличием пропускной способности трубопровода. В регионах с ограниченной трубопроводной инфраструктурой, таких как Новая Англия, цены на природный газ могут резко возрасти в холодную погоду, создавая риски затрат на поставку. Поэтому, хотя резервное копирование природного газа технически возможно, его будущее развертывание будет определяться политикой и участием заинтересованных сторон.

Будущее и новые тенденции

Улучшения технологий: повышение эффективности и гибкости

Производители газовых турбин продолжают расширять границы эффективности и эксплуатационной гибкости. Усовершенствованные турбины класса (например, GE HA-серии или Siemens HL-класса) могут достигать эффективности комбинированного цикла выше 64%, снижая как затраты на топливо, так и выбросы на МВтч. Эти турбины также могут выполнять быстрые запуски - достигая полной нагрузки всего за 10 минут - и могут работать на чрезвычайно низких уровнях нагрузки (до 30% мощности) в течение длительных периодов времени. Инновации в цифровом контроле и прогнозном обслуживании позволяют заводам чаще работать без увеличения частоты отказов. Эти улучшения делают природный газ еще более ценным партнером для возобновляемых источников энергии за счет сокращения количества топлива, сжигаемого во время резервных операций и за счет обеспечения более плавной интеграции.

Гибридизация с возобновляемыми источниками энергии и хранением

Ожидается, что тенденция к гибридным электростанциям, где генерация газа совместно с возобновляемой генерацией и хранением аккумуляторов, ускорится. Эти «гибриды электростанций» могут быть отправлены в качестве единого ресурса, который обеспечивает твердую, чистую электроэнергию в сеть. Например, солнечная электростанция мощностью 200 МВт в сочетании с газовой установкой мощностью 100 МВт и батареей мощностью 50 МВт может обеспечить круглосуточную мощность при достижении целей сокращения выбросов углерода. Такие конфигурации изучаются на Ближнем Востоке, в Австралии и на юго-западе Соединенных Штатов. Совместное расположение снижает затраты на передачу и позволяет газовой установке использоваться для возможностей черного пуска (восстановление сети после отключения электроэнергии) без использования внешней энергии. Дорожная карта МЭА «Нулевой к 2050 году» предусматривает постоянную роль газа в энергетическом секторе, хотя и с быстрым сокращением выбросов, достигнутым за счет CCUS и смешивания водорода.

Драйверы политики и эволюция рынка

В Европейском союзе предлагаемый «пакет рынка водорода и декарбонизированного газа» направлен на сокращение выбросов метана и продвижение возобновляемых и низкоуглеродных газов. В Соединенных Штатах Закон о сокращении инфляции (IRA) включает налоговые льготы для CCUS, чистого водорода и хранения энергии, которые могут сделать газ плюс CCUS или газ плюс водород более конкурентоспособными. И наоборот, некоторые страны переходят к полному отказу от газа: Дания объявила о цели по полному отказу от природного газа в своем энергетическом секторе к 2035 году. Механизмы ценообразования на углерод, такие как система торговли выбросами ЕС, увеличивают стоимость эксплуатации неослабевающих газовых установок, стимулируя инвестиции в технологии сокращения выбросов. Операторы сетей и коммунальные предприятия должны ориентироваться в этом развивающемся ландшафте, балансируя потребности в надежности с обязательствами по декарбонизации.

Заключение

Электростанции природного газа играют критическую переходную роль в электросетях, которые все больше зависят от переменных возобновляемых источников энергии. Их уникальное сочетание возможностей быстрого запуска, высоких скоростей рампы, экономической эффективности и хорошо зарекомендовавшей себя инфраструктуры делает их доминирующим выбором для резервной генерации во многих регионах. Однако эта роль связана с экологическими компромиссами, включая выбросы парниковых газов и утечку метана, которые должны решаться с помощью технологических инноваций, регулирования и интеграции с хранением и возобновляемыми источниками энергии. Будущее резервного копирования природного газа, вероятно, будет включать гибридизацию с батареями, принятие улавливания углерода и смешивание или полное преобразование в возобновляемые газы, такие как водород. Планировщики сетей должны взвесить преимущества природного газа как благоприятной технологии для возобновляемых источников энергии против необходимости полностью декарбонизировать. При тщательном управлении и постоянных инновациях природный газ может поддерживать стабильную, низкоуглеродистую электрическую систему в течение десятилетий перехода к чистому будущему с нулевой энергией.

Для дальнейшего чтения обратитесь к Обзор Управления энергетической информации США по природному газу , Анализ Международного энергетического агентства природного газа в энергетических системах и Исследования Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии по гибридным электростанциям .