Инфраструктура электросетей как узкое место в энергетическом переходе: вызовы и решения – Изображение: Xpert.Digital
Энергосистема на пределе своих возможностей: почему энергетический переход Германии тормозится и какие умные решения могут помочь сейчас
### Пробка на энергетической магистрали: тысячи солнечных электростанций ждут подключения – грозит ли энергетическому переходу отключение электроэнергии? ### Гениальный трюк для энергосети: как «избыточное строительство» экономит миллиарды и мгновенно подключает солнечные парки к сети ### Ваш счет за электроэнергию в 2025 году: кто выигрывает от новых правил регулирования сети, а кто вскоре будет платить больше ### Умные сети вместо дорогостоящих кабелей: как цифровые технологии революционизируют расширение сети и снижают затраты ###
С севера на юг: почему наша энергосистема становится узким местом и как виртуальные электростанции могут предотвратить коллапс
Энергетический переход в Германии продвигается впечатляющими темпами благодаря расширению солнечных и ветровых электростанций, но его успех висит на волоске: устаревшая инфраструктура электросетей. То, что когда-то служило надежной основой энергоснабжения, все чаще становится самым большим препятствием на пути трансформации. Фундаментальная проблема заключается в изменении системы: от нескольких централизованных крупных электростанций к тысячам децентрализованных и зависящих от погодных условий генераторов. Сети, рассчитанные на односторонний поток от электростанции к потребителю, не приспособлены к такому нестабильному двустороннему потоку.
Последствия уже драматичны: операторы электросетей, такие как Bayernwerk, сообщают о запросах на подключение проектов возобновляемой энергетики общей мощностью более 60 гигаватт, но не могут их удовлетворить. Во многих местах электросети работают на пределе своих возможностей, что приводит к задержкам в подключении новых солнечных электростанций от пяти до пятнадцати лет. Ситуация усугубляется известным разрывом между севером и югом, где избыток электроэнергии вырабатывается на ветреном севере, но не достигает промышленных центров на юге. Целые улицы уже объявляются «непригодными для подключения», что приводит к локальной остановке развития солнечной энергетики.
Однако эта огромная задача требует большего, чем просто дорогостоящее и трудоемкое строительство новых линий электропередачи. Необходимы инновационные и интеллектуальные подходы для более эффективного использования существующей инфраструктуры и формирования энергетической системы будущего. К ним относятся «умные» сети, координирующие генерацию и потребление в режиме реального времени, виртуальные электростанции, объединяющие тысячи небольших объектов в большой рой, а также такие оригинальные концепции, как «избыточное» строительство сетевых подключений и проактивные «розетки для подачи электроэнергии». Эти решения обещают не только ускорить энергетический переход, но и сдержать стремительный рост затрат на расширение сетей, а следовательно, и цен на электроэнергию для потребителей. В следующем тексте освещаются наиболее острые проблемы и представлены наиболее перспективные решения, которые определят успех или провал энергетического перехода Германии.
Подходит для:
Почему инфраструктура электросетей является критически важным фактором для расширения использования возобновляемых источников энергии?
Энергетическая инфраструктура составляет основу успешного энергетического перехода и одновременно является его главным узким местом. Проблема заключается в фундаментальных изменениях в энергетической системе: если раньше крупные централизованные электростанции производили электроэнергию предсказуемым образом, которая затем транспортировалась потребителям по сети, то сегодня доминируют децентрализованные и нестабильные возобновляемые источники энергии.
Для крупномасштабных проектов солнечных электростанций требуются надежные электросети, способные выдерживать их потребности в электроэнергии. Однако многие сети уже работают на пределе своих возможностей и не могут обеспечить дополнительную мощность. Например, компания Bayernwerk сообщает о запросах на подключение более 60 гигаватт, при этом многие операторы сетей уже сообщают о сроках ожидания новых подключений от 5 до 15 лет.
Проблема усугубляется разрывом между севером и югом Германии: на севере вырабатывается больше электроэнергии за счет ветровой энергии, чем потребляется, в то время как юг, с его промышленными центрами, потребляет больше энергии, чем производит на местном уровне. Эта проблема станет еще более острой после поэтапного вывода из эксплуатации атомной энергетики и запланированного отказа от угля.
Какие конкретные препятствия существуют при подключении солнечных электростанций к электросети?
Практические проблемы, связанные с подключением солнечных электростанций к сети, многогранны и затрагивают все уровни напряжения. На уровне среднего напряжения, к которому подключается большинство наземных фотоэлектрических систем мощностью от 10 до 60 МВт, сети уже сильно загружены во многих местах. Высоковольтные сети предлагают еще большую мощность, но требуют дорогостоящего строительства специализированных подстанций.
Конкретный пример — ситуация в Клеттгау, Баден-Вюртемберг, где местный оператор электросети EVKR опубликовал список улиц, где «крайне маловероятно подключение каких-либо новых фотоэлектрических систем». Такие «узкие места» в сети означают, что даже уже установленные солнечные системы не могут быть подключены к сети.
Планы расширения электросетей, разработанные операторами распределительных сетей, показывают, что многие участки сетей среднего и высокого напряжения обозначены как «узкие места». Это приводит к всё более длительным срокам подключения, причём некоторые проекты не могут быть подключены к сети до 2030 года, поскольку сначала необходимо расширить местную инфраструктуру сети.
Как меняется плата за пользование сетью и каковы последствия?
Плата за использование сети, составляющая около четверти стоимости электроэнергии, демонстрирует дифференцированную динамику. Четыре крупнейших оператора передающих сетей объявили о среднем увеличении на 3,4 процента до 6,65 центов за киловатт-час к 2025 году. Это увеличение в основном обусловлено огромными инвестициями в расширение сети.
В то же время, общенациональная стандартизация сетевых тарифов в 2025 году приведет к более справедливому распределению затрат. Выгоду получат регионы с высоким уровнем развития возобновляемой энергетики: сетевые тарифы снизятся на 29 процентов в Шлезвиг-Гольштейне, на 29 процентов в Мекленбурге-Передней Померании, на 21 процент в Бранденбурге и на 16 процентов в Баварии.
Это перераспределение учитывает тот факт, что регионы с большим количеством электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии, ранее несли непропорционально высокие затраты на расширение электросетей. В то же время плата за подключение к сети растет в регионах с меньшей долей возобновляемых источников энергии, особенно в Баден-Вюртемберге, Рейнланд-Пфальце и Северном Рейн-Вестфалии.
Что такое интеллектуальные энергосети и как они могут способствовать решению проблемы?
«Умные» энергосети, или интеллектуальные электросети, используют цифровые технологии для координации выработки электроэнергии, работы сети, хранения и потребления. В отличие от традиционной электросети, которая функционировала как односторонняя дорога от электростанции к потребителю, современные сети должны надежно управлять двунаправленными потоками энергии, а также непредсказуемыми поступлениями электроэнергии.
Интеллектуальная энергосеть объединяет все компоненты электроэнергетической системы – от солнечных панелей на крыше до аккумуляторных батарей в подвале и зарядных станций для электромобилей. Используя цифровые электросчетчики и современные коммуникационные технологии, эти системы могут реагировать на изменения в режиме реального времени и оптимально балансировать спрос и предложение.
Системы хранения энергии на основе аккумуляторов играют центральную роль как неотъемлемые компоненты современной сетевой инфраструктуры. Они стабилизируют сеть, компенсируя краткосрочные колебания, обеспечивают управление перегрузками и повышают гибкость всей системы. Целенаправленное хранение энергии может предотвратить перегрузки сети и снизить потребность в дорогостоящем расширении сетевой инфраструктуры.
Подходит для:
Какую роль будут играть виртуальные электростанции в будущей энергетической системе?
Виртуальные электростанции представляют собой инновационное решение для более эффективной интеграции возобновляемых источников энергии. Они объединяют сотни или тысячи децентрализованных генерирующих установок, хранилищ и управляемых потребителей в скоординированную сеть. Эти роевые электростанции могут совместно вырабатывать столько же электроэнергии, сколько крупные традиционные электростанции.
Центральная система управления виртуальной электростанции в режиме реального времени отслеживает все подключенные объекты и мгновенно реагирует на изменения в электросети. Если выработка электроэнергии слишком низка, она активирует дополнительные генераторы возобновляемой энергии, которые могут управляться независимо от погодных условий, — например, биогазовые установки или гидроэлектростанции. И наоборот, в случае перепроизводства она соответствующим образом снижает подачу электроэнергии.
Современные виртуальные электростанции используют шлюзы интеллектуальных счетчиков для экономически эффективного управления маломасштабными установками. Они не только обеспечивают лучшую системную интеграцию возобновляемых источников энергии, но и создают дополнительную экономическую выгоду для операторов электростанций за счет оптимизации маркетинга на различных рынках.
Что такое переразвитие и как оно может уменьшить сетевые узкие места?
Строительство над точками подключения к электросети представляет собой перспективный подход к более эффективному использованию сети. Это предполагает подключение к сети электростанций, которые вместе могут производить больше электроэнергии, чем теоретически способны передавать линии. Решающим фактором является сочетание электростанций, которые редко работают одновременно на полную мощность.
Ветровые и солнечные электростанции идеально дополняют друг друга: ветровые турбины часто вырабатывают основную мощность ночью, осенью или зимой, в то время как солнечные электростанции производят максимум энергии в полдень и летом. Исследование, проведенное Немецкой федерацией возобновляемой энергии (BEE), показывает, что при работе обеих систем на одном подключении необходимо сократить лишь около 3,5% солнечной энергии и 1,5% энергии ветра.
Компания Bayernwerk уже продемонстрировала, как работает такой тип расширения сети: новая фотоэлектрическая (ФЭ) система была установлена рядом с существующей ветряной турбиной, подключенной к той же сети. Обе системы работают совместно, что позволяет всем заинтересованным сторонам и потребителям сэкономить на затратах на дальнейшее расширение сети. Потенциал значителен: только сеть Bayernwerk могла бы обеспечить работу запланированных 1000 новых ветряных турбин к 2030 году, используя существующие ФЭ-подключения.
Как работает принцип действия розетки?
Ввод в эксплуатацию распределительных щитов представляет собой кардинальный сдвиг в планировании подключения к электросети. Вместо того чтобы инфраструктура отставала от возобновляемых источников энергии, дополнительные мощности предоставляются заблаговременно, и разработчики проектов могут подать заявку на их приобретение.
Компания Bayernwerk, используя этот подход, наладила подключение к электросети в Нижней Баварии, на которое могут претендовать разработчики электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии. Практически вся мощность была выделена в течение 24 часов, несмотря на необходимость сглаживания пиковых нагрузок на 30 процентов. Это значительно повышает эффективность использования линий и резко ускоряет реализацию проектов: от начала строительства в марте до ввода в эксплуатацию в ноябре того же года.
Компании LEW Verteilnetz и Bayernwerk Netz продолжили разработку совместного пилотного проекта «Подключение к сети», в рамках которого обе компании независимо друг от друга создают дополнительные мощности подключения на своих подстанциях. Bayernwerk планирует строительство новой подстанции в Нидервибахе, а LVN оснащает существующую подстанцию в Бальцхаузене дополнительным трансформатором.
Новинка: патент из США — устанавливайте солнечные парки до 30% дешевле и на 40% быстрее и проще — с пояснительными видеороликами!
Новинка: патент из США. Установка солнечных электростанций до 30% дешевле и на 40% быстрее и проще — с пояснительными видеороликами! - Изображение: Xpert.Digital
В основе этого технологического достижения лежит осознанный отказ от традиционного крепления с помощью зажимов, которое было стандартом на протяжении десятилетий. Новая, более быстрая и экономичная система монтажа решает эту проблему с помощью принципиально иной, более интеллектуальной концепции. Вместо того, чтобы зажимать модули в определённых точках, они вставляются в сплошную опорную рейку специальной формы и надёжно фиксируются. Такая конструкция гарантирует равномерное распределение всех возникающих сил – будь то статические нагрузки от снега или динамические нагрузки от ветра – по всей длине каркаса модуля.
Подробнее об этом здесь:
Цифровая инфраструктура: как искусственный интеллект и интеллектуальные сети трансформируют энергосистему
Какой потенциал открывает гибкость энергетической системы?
Гибкость энергетической системы описывает способность балансировать колебания между производством и потреблением и обеспечивать стабильность электроснабжения. С целью достижения 80-процентной доли возобновляемой электроэнергии к 2030 году энергетическая система должна стать достаточно гибкой, чтобы гарантировать поставки даже в периоды низкой ночной выработки электроэнергии.
Такая гибкость может быть обеспечена различными компонентами: системами хранения энергии, управляемыми нагрузками и гибкими электростанциями. Особенно перспективен потенциал маломасштабных систем, таких как децентрализованные солнечные установки, системы хранения энергии на основе батарей, электромобили и тепловые насосы. Если в ближайшие годы в Германии появятся миллионы электромобилей, то быстро станет доступно 8000 мегаватт гибкой мощности.
Пространственная гибкость позволяет компенсировать географические колебания, такие как хорошо известное узкое место в Германии, простирающееся с севера на юг. Временная гибкость уравновешивает сезонные и суточные колебания. Таким образом, интеллектуальные решения для управления энергопотреблением становятся цифровой инфраструктурой энергетического сектора будущего и могут принимать решения в режиме реального времени.
Подходит для:
Что означает секторная связь для нагрузки в сети?
Секторная интеграция описывает процесс объединения ранее разрозненных секторов электроэнергетики, теплоснабжения, транспорта и промышленности за счет расширения использования возобновляемой электроэнергии. Это приводит к значительному увеличению потребления электроэнергии и одновременно изменяет профили нагрузки в сети.
Немецкая федерация возобновляемой энергетики (BEE) прогнозирует дополнительный спрос на электроэнергию в размере от 69 до 150 ТВт·ч к 2030 году в связи с объединением отраслей. Наибольший спрос прогнозируется в сфере электромобильности (до 48 ТВт·ч), за ней следуют тепловые насосы (41 ТВт·ч), производство водорода (37 ТВт·ч) и промышленные электрические котлы (21 ТВт·ч).
Это развитие событий создает новые проблемы для электросети: когда множество домохозяйств одновременно заряжают свои электромобили после работы, возникают новые пиковые нагрузки. Тепловые насосы могут заменить системы отопления на жидком топливе и газовые котлы, но они требуют надежного электроснабжения. Интеллектуальное управление этими новыми потребителями будет иметь решающее значение для стабильности сети.
Как упреждающее расширение сети может решить эти проблемы?
Прогнозируемое расширение энергосистемы представляет собой фундаментальный сдвиг парадигмы в планировании энергосистемы. Вместо того чтобы реагировать только на запланированные конкретные объекты, инфраструктуру энергосистемы следует расширять заблаговременно, чтобы удовлетворить будущие потребности.
Проблема существующей системы заключается в разнице сроков внедрения: электростанции, работающие на возобновляемых источниках энергии, могут быть построены за 5 месяцев, в то время как расширение энергосети занимает от 7 до 10 лет. Эта разница во времени приводит к значительным проблемам с подключением и транспортировкой возобновляемых источников энергии.
Ассоциация муниципальных предприятий призывает к созданию нормативно-правовой базы, которая позволит осуществлять перспективное расширение энергосистемы. Это требует изменений в шести ключевых областях: преодоление ретроспективного характера нормативной практики, внедрение планирования бюджета, ориентированного на будущее, и снижение нормативных препятствий для упреждающих инвестиций.
Важным шагом стала первая публикация планов расширения электросетей примерно 80 крупными немецкими операторами распределительных сетей электроэнергии в мае 2024 года. В этих планах описаны конкретные запланированные меры по расширению на 2028 и 2033 годы, а также оценки потребностей в расширении до 2045 года.
Какова роль цифровизации и автоматизации?
Цифровизация и автоматизация электросети имеют решающее значение для успешной интеграции возобновляемых источников энергии. Современные системы автоматизации позволяют отслеживать и оптимизировать потоки энергии в режиме реального времени. Ориентированная на спрос автоматизация особенно необходима в сетях низкого и среднего напряжения, где подключено более 90 процентов возобновляемых источников энергии.
Цифровые двойники распределительных сетей создают единый, надежный источник информации для операторов сетей, объединяя различные источники данных, такие как интеллектуальные счетчики, ГИС, ERP и SCADA-системы. Эти вычислительные модели сети могут динамически реагировать на такие события, как изменение погодных условий или нагрузки.
В будущем программные решения для прогнозирования состояния сети с использованием искусственного интеллекта будут работать на основе сетевых моделей, управляемых данными в реальном времени, с индивидуальными профилями нагрузки. Программы поддержки принятия решений смогут рекомендовать меры, основанные на выявленных узких местах и временных горизонтах их возникновения.
Исследование VDE по вопросам высокой степени автоматизации показывает, что активное управление сетью позволяет быстрее интегрировать в нее больше фотоэлектрических систем и электромобилей, поскольку поток энергии можно контролировать по мере необходимости. Автоматизация также позволяет автоматически восстанавливать электроснабжение в случае отключений и более эффективно использовать существующие мощности сети.
Каковы экономические последствия этих решений?
Экономические последствия различных решений значительны и влияют как на стоимость, так и на эффективность всей системы. Согласно исследованию Института энергетической экономики, установка фотоэлектрических и ветроэнергетических установок поверх существующих подключений к сети может снизить затраты на расширение сети до 1,8 миллиарда евро в год.
Хотя в рамках строительного проекта потребуется сократить количество электростанций, работающих в режиме ограничения выработки электроэнергии, экономия на расходах по расширению сети превысит затраты на сокращение объемов потребления электроэнергии на 800 миллионов евро. Этот чистый прирост эффективности обусловлен значительным сокращением инвестиций в новую сетевую инфраструктуру и лишь незначительно увеличением затрат на ограничение выработки электроэнергии.
По оценкам, для расширения европейской энергосети к 2050 году потребуется от 1 994 до 2 294 миллиардов евро инвестиций. Для одной только Германии, согласно различным исследованиям, к 2045 году в среднем потребуется 350 миллиардов евро на расширение распределительной сети. Эти огромные суммы подчеркивают необходимость эффективных решений.
В то же время, более эффективное использование сети приводит к снижению удельных затрат: чем больше электроэнергии транспортируется по сети, тем лучше распределяются затраты на киловатт-час. Сочетание развития инфраструктуры, интеллектуальных сетей и систем хранения энергии, поддерживающих работу сети, может повысить эффективность системы и снизить общие затраты на энергетический переход.
Как политика и регулирование могут способствовать этим преобразованиям?
Политическая и нормативно-правовая база имеет решающее значение для успешного расширения сетевой инфраструктуры. «Закон о внесении изменений в Закон об энергетической отрасли», принятый в январе 2025 года, уже задал важный курс, создав правовую основу для расширения сети.
В соответствии с поправкой к разделу 8 Закона об возобновляемых источниках энергии (EEG), электростанции, использующие возобновляемые источники энергии, теперь могут подключаться к точке подключения к сети, уже используемой другой электростанцией, использующей возобновляемые источники энергии. Новый раздел 8a Закона об возобновляемых источниках энергии также позволяет заключать гибкие соглашения о подключении к сети, необходимые для практической реализации объединения кабельных линий.
Ускорение процессов планирования и согласования является еще одним критически важным фактором. Операторы энергосистем требуют принятия большего количества административных решений в меньшие сроки, поскольку для достижения климатических целей необходимо ежедневно строить и интегрировать в сеть 12 ветряных турбин. Это требует увеличения штата и ресурсов для органов планирования и согласования, а также для судов.
Закон о возобновляемых источниках энергии 2023 года (EEG) предоставляет возобновляемым источникам энергии юридический приоритет, что также означает приоритетное расширение распределительной сети. Необходимо использовать синергию при оценке воздействия на окружающую среду, обеспечить параллельные процессы утверждения и зафиксировать статус существующих законов на начальном этапе процедур.
Подходит для:
Какие технологические инновации определят будущее?
Ряд технологических инноваций существенно повлияет на будущее сетевой инфраструктуры. Высоковольтные линии электропередачи постоянного тока позволяют транспортировать большие объемы электроэнергии с низкими потерями на большие расстояния и особенно актуальны для энергосистемы Германии с градиентом мощности с севера на юг.
Технологии Power-to-X открывают новые возможности для интеграции различных секторов: Power-to-heat позволяет использовать электроэнергию для выработки тепла, а Power-to-gas — преобразовывать электроэнергию в водород. Эти технологии могут служить как средством повышения гибкости, так и решением для долговременного хранения энергии.
Технологии интеллектуального учета и управления станут основой для всех остальных инноваций. Шлюзы интеллектуальных счетчиков позволяют экономично управлять маломасштабными системами и интегрировать частные домохозяйства в виртуальные электростанции. Широкое внедрение этой технологии является необходимым условием для полной цифровизации энергетической системы.
Искусственный интеллект и машинное обучение все чаще используются для прогнозирования состояния энергосистемы, прогнозирования нагрузки и автоматизированного принятия решений. Эти технологии позволяют управлять и оптимально контролировать сложность будущей энергетической системы.
Какие проблемы остаются?
Несмотря на многообещающие решения, остаются значительные проблемы. Стремительные темпы необходимого расширения электросети ставят перед всеми заинтересованными сторонами огромные задачи: запланированные инвестиции в электросети должны увеличиться с примерно 36 миллиардов евро в год до более чем 70 миллиардов евро.
Нехватка квалифицированных кадров в энергетическом секторе еще больше усугубляет ситуацию. В то же время, проблемы с поставками трансформаторов, кабелей и других компонентов энергосистемы приводят к дальнейшим задержкам. Эти сбои в цепочке поставок могут замедлить весь процесс расширения энергосистемы, независимо от наличия финансирования.
Координация между различными участниками – операторами передающих и распределительных сетей, производителями и потребителями – остается сложной задачей. Любая задержка в одном компоненте системы может иметь последствия для всей системы.
Нормативно-правовая база должна постоянно адаптироваться по мере быстрого развития технологий и рыночных условий. То, что сегодня считается оптимальным, может устареть всего через несколько лет. Сбалансировать необходимое регулирование с достаточной гибкостью для инноваций по-прежнему остается сложной задачей.
Необходимо и впредь обеспечивать общественную поддержку масштабного расширения сетевой инфраструктуры. Участие граждан и прозрачная коммуникация имеют решающее значение для успешного завершения проектов расширения сети.
Инфраструктура электросетей играет центральную роль в энергетическом переходе и в значительной степени определяет его успех. Инновационные подходы, такие как расширение сети, интеллектуальные сети, виртуальные электростанции и заблаговременное планирование, могут преодолеть существующие узкие места. Для обеспечения устойчивости сети в будущем потребуется сочетание технологических инноваций, корректировки нормативных актов и существенных инвестиций. Только таким образом можно будет раскрыть весь потенциал возобновляемых источников энергии и достичь климатических целей.
Смотрите, эта маленькая деталь экономит до 40% времени установки и обходится на 30% дешевле. Она из США и запатентована.
НОВИНКА: Готовые к установке солнечные системы! Эта запатентованная инновация значительно ускоряет строительство солнечных электростанций.
Суть инноваций ModuRack заключается в отказе от традиционного крепления с помощью зажимов. Вместо зажимов модули устанавливаются и фиксируются с помощью сплошной опорной рейки.
Подробнее об этом здесь:
Ваш партнер по развитию бизнеса в области фотоэлектрической и строительства
От промышленной крыши PV до солнечных парков до больших солнечных парковочных мест
☑️ Наш деловой язык — английский или немецкий.
☑️ НОВИНКА: Переписка на вашем национальном языке!
Konrad Wolfenstein
Я был бы рад служить вам и моей команде в качестве личного консультанта.
Вы можете связаться со мной, заполнив контактную форму или просто позвоните мне по телефону +49 89 89 674 804 (Мюнхен) . Мой адрес электронной почты: wolfenstein ∂ xpert.digital
Я с нетерпением жду нашего совместного проекта.
