Как зимние штормы проверяют надежность электросетей США и стоимость электроэнергии

Перед Соединенными Штатами стоит неотложная энергетическая проблема: как обеспечить людей надежным и доступным электричеством во время смертельных ураганов.

Эта необходимость стала особенно очевидной в минувшие выходные, когда на территории пронесся мощный зимний шторм. Техас до штата Мэнпринеся с собой сильный снегопад, ледяной дождь и минусовую температуру. Это вызвало отключения электроэнергии более 1 миллиона клиентовособенно в Теннесси, Миссисипи и Луизиане. Многие до сих пор остаются без электричества.

Подготовка, проведенная коммунальными предприятиями и операторами сетей, включая размещение дополнительных линейных бригад, размещение оборудования в зонах повышенного риска и обеспечение резервной генерации и резервов в режиме ожидания, безусловно, помогла предотвратить дальнейшие широкомасштабные отключения электроэнергии во время зимнего шторма Ферн. Более серьезная задача сейчас носит долгосрочный характер: сократить количество отключений электроэнергии за счет повышения надежности и доступности энергосистем во время зимних штормов и экстремальных погодных условий в целом.

Эксперт по энергетике WRI Келли Лефлер описывает, что необходимо для повышения надежности электроэнергетической системы и обеспечения того, чтобы люди могли рассчитывать на постоянную и доступную электроэнергию в условиях все более нестабильной погоды.

Что в основном стоит за отключениями электроэнергии во время Winter Storm Fern?

Коммунальные предприятия и регулирующие органы проведут оценку записей и опубликуют официальные отчеты о том, что произошло в ближайшие недели и месяцы, но на данный момент кажется, что отключения были в основном из-за гололеда, повлиявшего на системы распределения и передачи электроэнергии. Лед от урагана нарастал на деревьях, и дополнительный вес заставил их сломаться, опрокидывая линии электропередач. Лед также может накапливаться на самих стропах и разрушать их.

Кроме того, на востоке США некоторые электростанции не могли производить столько электроэнергии из-за сильного холода и ограниченных запасов природного газа, что вынуждало их останавливаться или работать на пониженной мощности. Регион зависит от газопроводов вдоль восточного побережья, которые исторически были ограничены в очень холодную погоду. В результате произошло отключение электроэнергии почти на 21 гигаватт, причем большая часть этой мощности была отключена. Для сравнения: 21 гигаватт — это то же самое, что 21 миллиард ватт, чего достаточно для одновременного снабжения электроэнергией миллионов домов. Важно отметить, что эти сбои не потребовали от операторов сетей вводить веерные отключения электроэнергии для предотвращения более крупных сбоев в системе.

Что делает электроэнергетическую систему США уязвимой к экстремально холодной погоде?

Зимние штормы, как правило, вызывают нагрузку на электроэнергетическую систему — от электростанций до линий электропередачи и распределительных сетей — предсказуемым образом, что создает дисбаланс между спросом и предложением электроэнергии или затрудняет поддержание безопасных условий в сети. Когда это произойдет, сетевые операторы могут быть вынуждены отключить часть спроса на электроэнергию, чтобы предотвратить более крупные неконтролируемые отключения. Хотя каждое крупное зимнее отключение электроэнергии имеет свою собственную историю, несколько общих точек отказа проявляются снова и снова.

В условиях сильного холода одной из самых больших проблем является обеспечение топливом электростанций для производства электроэнергии и домов для отопления. Природный газ является крупнейшим источником производства электроэнергии в США. обеспечение 43% электроэнергии по состоянию на 2024 год. Во время зимних штормов спрос на природный газ резко возрастает, поскольку люди включают термостаты, а электростанциям также необходимо топливо для выработки электроэнергии. Этот одновременный всплеск, известный как совпадающий пик, представляет собой хорошо известную проблему планирования. Экстремальный холод может привести к перенапряжению системы природного газа, выходящему за рамки нормальных условий эксплуатации, что затрудняет доступ газовых генераторов к топливу, когда оно им больше всего нужно. Подобный стресс может возникнуть во время сильной жары, когда кондиционеры повышают спрос на электроэнергию.

Другая проблема — отсутствие надлежащей подготовки к зиме — подготовки оборудования к зимним условиям — в различных частях электроэнергетической системы. Оборудование, не подготовленное к экстремальным холодам, такое как электростанции, датчики, газовые скважины и трубопроводы, может замерзнуть или выйти из строя. Когда сразу несколько частей выходят из строя, у коммунальных предприятий может не остаться иного выбора, кроме как реализовать широкомасштабные отключения для поддержания безопасности системы и предотвращения каскадных сбоев.

Зимние условия также затрудняют обслуживание или ремонт оборудования экипажами по мере возникновения проблем, что увеличивает риск простоев.

Системы передачи и распределения также могут пострадать от зимних штормов. Лед и сильный снегопад могут повредить линии электропередачи, снизить их пропускную способность или вызвать механические проблемы, затрудняя транспортировку электроэнергии от места ее генерации туда, где она необходима, даже если имеется достаточно электроэнергии. Эти линии особенно уязвимы без регулярного обслуживания. Например, обрезка деревьев возле линий электропередач имеет решающее значение для предотвращения падения на них обледенелых ветвей, как это произошло во время Winter Storm Fern.

Как можно сделать энергетические системы более надежными и доступными во время погодных потрясений?

Есть несколько способов сделать энергетические системы более надежными перед зимними штормами и экстремальными погодными условиями. Повышенная надежность помогает предотвратить перебои в поставках, снижает нагрузку в периоды пикового спроса и может сделать электроэнергию более доступной.

Одним из ключевых способов сделать энергетические системы более надежными является максимизация гибкости — улучшение способности системы адаптироваться в реальном времени к изменениям спроса и предложения. Чем более гибкая система, тем лучше она может справляться с внезапными скачками спроса в случае экстремальных погодных условий, таких как резкие похолодания или периоды сильной жары, или реагировать на перебои в поставках, например, отключения электростанций.

Повышение гибкости включает модернизацию устаревшей инфраструктуры. Большая часть энергосистемы США была построена несколько десятилетий назад в условиях различных моделей спроса. Модернизация энергосистемы — например, путем обновления подстанций и передающего оборудования, внедрения передовых датчиков и внедрения передовых технологий передачи (ATT) — может снизить частоту отказов во время экстремальной жары и холода. Эти технологии помогают операторам быстрее обнаруживать проблемы, перенаправлять электроэнергию в случае повреждения оборудования и быстро восстанавливать работоспособность. Модернизация не только повышает надежность, но также сокращает дорогостоящие экстренные вмешательства и снижает затраты на долгосрочное техническое обслуживание.

Увеличение пропускной способности сети, как за счет развертывания АТТ, так и строительства региональных и межрегиональных линий электропередачи, может снизить риск того, что локальное погодное явление перерастет в широкомасштабное отключение электроэнергии. Создание более взаимосвязанной сети позволяет регионам делиться электроэнергией во время ее дефицита. Наличие этой большей пропускной способности также помогает удерживать цены на низком уровне, позволяя более дешевой электроэнергии поступать в районы с более высоким спросом.

Варианты управления спросом могут помочь снизить нагрузку на систему во время экстремальных погодных явлений. К ним относятся поощрение клиентов и крупных пользователей к сокращению или переносу потребления электроэнергии в периоды пиковой нагрузки в обмен на более низкие счета или использование распределенных энергетических ресурсов для предотвращения дефицита.

Системы, которые слишком полагаются на одно топливо, более уязвимы к сбоям. Диверсификация источников энергии и технологий помогает снизить риск возникновения проблем, связанных с нехваткой топлива, сбоями в инфраструктуре и локальными погодными воздействиями.

Наконец, политика также имеет решающее значение. Крайне важно, чтобы стимулы были должным образом согласованы с современными потребностями в гибкости и готовности. Это может помочь коммунальным предприятиям инвестировать в системы, которые действительно работают в экстремальных погодных условиях, и минимизировать затраты потребителей как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе.

Какую роль, если таковая имеется, может сыграть чистая энергия?

Хотя возобновляемые источники энергии зависят от погоды, широкая географическая дисперсия и прогнозирование позволяют им внести значимый вклад во время зимних штормов. Ветровая и солнечная генерация, как правило, доступна во время многих экстремальных холодов, даже когда другие ресурсы ограничены.

Во время нескольких недавних холодов генерация из возобновляемых источников была доступна, когда это было необходимо, даже несмотря на то, что некоторые энергоблоки, работающие на ископаемом топливе, были отключены от сети из-за замерзания оборудования или ограничений в поставках топлива. Например, во время «Зимнего шторма Эллиотт» только 7% недоступной генерирующей мощности было получено из экологически чистых источников энергии — ветровой, солнечной, атомной и гидроэнергетики вместе взятых. А в некоторых частях пострадавшего региона мощность ветровой и солнечной энергии превысила прогнозы.

Чистая энергия также способствует диверсификации. Добавление более широкого спектра источников энергии снижает зависимость от одного топлива или системы доставки, которая может выйти из строя во время экстремальных погодных условий. Ресурсы, которые не полагаются на доставку топлива «точно в срок», при которой электростанции получают топливо только тогда, когда оно необходимо, могут снизить риск нехватки топлива, когда цепочки поставок напряжены.