Проблема в тиску

Які ризики для електроенергетики створює невизначеність з транзитом газу після 2024 року?

Автор: Ігор Петрик, директор з розвитку ринків

Wärtsilä Energy у Східній Європі

В Україні необхідність заміни вугільних електростанцій на нові потужності викликає дискусії щодо технологій-кандидатів. У цих дискусіях газотурбінні електростанції комбінованого циклу, або парогазові, як їх ще називають, іноді розглядаються як сучасна альтернатива вугільній генерації.

Але станції на базі великих газових турбін були прогресивним рішенням для централізованих енергосистем кінця 20-го століття. Як ми вже бачимо у країнах з великою часткою відновлюваної генерації, саме ВДЕ у поєднанні з високоманевреною потужністю та системами накопичення поступово витісняють «напівпікову» генерацію. В енергосистемах майбутнього не залишається місця для негнучких парогазових технологій.

Існує й інше застереження. В Україні за відсутності транзиту газу з 2024 р. може з’явитися загроза стабільності постачання паливного газу з необхідними для таких станцій параметрами тиску. З наслідками подібних проблем вже стикнулися деякі країни.

Що сталося у США та Нігерії

У Північній Америці в цьому році перебої з постачанням палива призвели до значних відключень на газотурбінних електростанціях. Найпомітніше з них сталося в Техасі, коли морози вибили електропостачання по всьому штату з 14 по 19 лютого 2021 року, залишивши 4,5 мільйона домогосподарств без електрики.

Станції на базі великих газових турбін були прогресивним рішенням для централізованих енергосистем кінця 20-го століття. В енергосистемах майбутнього не залишається місця для негнучких парогазових технологій.

По цей бік Атлантики, в Нігерії, відключення електроенергії є регулярним явищем. Економічна вартість перебоїв в електропостачанні в країні оцінюється приблизно в 28 мільярдів доларів на рік, що еквівалентно 2% її ВВП. У травні 2021 року низький тиск у трубопровідній системі Escravos-Lagos (ELPS) призвів до зупинки кількох газотурбінних електростанцій і широкомасштабних відключень електроенергії протягом більше семи днів.

Що спільного між Північною Америкою та Нігерією, що пояснило б ці збої в електропостачанні? Може здатися дивним проводити паралелі, але інциденти в обох країнах підкреслюють взаємозалежність газотранспортних і електроенергетичних систем. Обидві країни є дуже великими виробниками природного газу і мають величезні запаси, але обидві зазнали збитків через проблеми в постачанні газу і його низький тиск.

Ось чому

Щоб гарантувати споживачам постачання газу відповідно до законтрактованої якості, а саме з певним тиском, необхідно подавати його у систему магістральних трубопроводів у достатньому обсязі.

Сучасні електростанції на базі газових турбін використовують безперервний процес згоряння, який вимагає подачі газу в діапазоні тиску 20-60 атмосфер. Падіння тиску може призвести до збою в роботі. Коли в трубопроводі відбувається зменшення обсягу газу і, отже, тиску, споживачі газу високого тиску, такі як газотурбінні електростанції, не можуть працювати і відключаються. На відміну від них, наприклад, газопоршневі електростанції продовжують генерацію електроенергії, оскільки для них потрібен набагато нижчий тиск газу (6-12 атмосфер) для підтримання повної номінальної потужності.

Що саме відбувалося в Техасі та Нігерії?

Техас має найбільше в США використання енергії вітру зі встановленою потужністю вітрових станцій близько 21 ГВт. Але в той час, коли аномальні морози призвели до різкого збільшення споживання електроенергії для опалення, високий атмосферний тиск холодного антициклону викликав суттєве падіння швидкості вітру та обвал генерації електроенергії вітровими станціями. Попит перевищив виробництво, і енергосистема Техасу опинилася на межі колапсу. Системний оператор застосував широкомасштабні відключення всього споживання, крім надзвичайних потреб. В результаті, виробники нафти і газу в Пермському басейні, які залежать від електроенергії для живлення своєї діяльності, залишилися без можливості подавати природний газ, який був необхідний більше, ніж будь-коли, для виробництва електроенергії. Порочне коло замкнулося. Компресорні станції, які прокачують газ по трубопроводах, стали зупинятися через відключення електроенергії, і коли тиск газу знизився, це зупинило газотурбінні електростанції через нестачу палива.

У Нігерії, яка має найбільші запаси газу в Африці, це паливо використовується для роботи понад 80% генеруючих потужностей, підключених до електромереж країни. Але складні умови газотранспортної та розподільної системи, а також відсутність сховищ викликають коливання обсягу та недостатній тиск газу в місцях споживання. З 28 по 30 травня 2021 року низький тиск на ELPS залишив 3000 МВт потужностей без роботи. Найбільші газотурбінні електростанції країни були змушені закритися через зниження тиску газу. У той же час газопоршнева електростанція Lafarge Ewekoro потужністю 100 МВт, яка отримує газ з того ж магістрального трубопроводу, залишилася повністю працездатною.

Так само і в Техасі, завдяки у тому числі стійкості газопоршневих електростанцій, яких там налічується близько 1000 МВт, вдалося попередити більший масштаб кризи.

Погляд у майбутнє

За досвідом країн, що встановлюють високоманеврені газопоршневі станції для балансування зростаючої частки ВДЕ в їхніх енергосистемах, саме така комбінація генеруючих потужностей є перспективною на найближчі десятиліття. Особливо, коли газова генерація перейде на відновлювані види палива, наприклад, водень і буде слугувати виключно для компенсації коливань ВДЕ та надання послуги резерву, а не виробляти базову чи напівпікову потужність.

Вже зараз через вплив ВДЕ газові станції у Німеччині вимушені працювати у циклічних режимах з частими зупинками, що згубно для газових турбін

Нова потужність, яка прийде на заміну вугільним ТЕС в Україні, працюватиме у зовсім іншій енергосистемі, де, напевне, залишиться велика частка атомної енергії як базової генерації, але решту енергії вироблятимуть ВДЕ за підтримки гнучких технологій, таких як газопоршневі.

Коли в газотранспортній системі не гарантовано стабільний тиск, саме газопоршневі станції здатні підтримувати енергосистему

Адже коли в газотранспортній системі не гарантовано стабільний тиск, саме газопоршневі станції здатні підтримувати енергосистему. Вони можуть працювати на газовому паливі різної якості та додатково використовувати рідке паливо, якщо засновані на технології подвійного палива. Рідке чи зріджене паливо, у тому числі відновлюване, може зберігатися на місці, щоб забезпечити завжди доступну резервну потужність для компенсації збоїв постачання газу.

Оператор електро- та газотранспортної мережі Естонії ELERING, замовляючи станцію підтримки енергосистеми, передбачив імовірність втрати постачання газу на певний період. Поршнева станція потужністю 250 МВт, що за командою диспетчера запускається на повну потужність за 10 хвилин у разі нештатної ситуації в енергосистемі, так само здатна миттєво реагувати на перебої з газопостачанням. У момент збою двопаливні двигуни автоматично переходять на резервне рідке паливо без зупинки роботи станції та забезпечують надійне постачання енергії завдяки п’ятиденному запасу рідкого палива.

Поршнева станція потужністю 250 МВт, що за командою диспетчера запускається на повну потужність за 10 хвилин у разі нештатної ситуації в енергосистемі, так само здатна миттєво реагувати на перебої з газопостачанням

Така технологія є ідеальним союзником для мереж з високими частками відновлюваної енергії вітру та сонця. Завдяки швидкому пуску та високій маневреності, ці станції можуть ефективно регулювати вихідну потужність у відповідь на переривчастий характер погоди і навіть запускатися тоді, коли мережа знеструмлена, що допомагає операторам електричних мереж відновити енергопостачання після аварій.

Висновки для України

Газотурбінні та парогазові станції посідають вагоме місце в енергосистемах багатьох країн – від США до Нігерії, що було історично обумовлено. Проте, в енергосистемі України їх нема.

Отже країна має можливість не орієнтуватися на стандарти минулого, навіть якщо вони ще працюють сьогодні, а знайти на заміну вугільним ТЕС такі технології, що будуть найефективнішими якнайменше до середини 21-го століття.

Треба лише зробити цей вибір з урахуванням таких важливих чинників, як майбутні режими роботи у складі енергосистеми з великою часткою ВДЕ. Та з урахуванням ризиків, таких як стабільність газопостачання.