После очередного изнурительного европейского лета поставщики электроэнергии предупреждают, что изменение климата подвергает электросети возрастающую нагрузку и создает риск их возможного коллапса.
Международная группа исследователей показала, как волны тепла влияют на способность европейских стран вырабатывать и поставлять электроэнергию, и какую растущую угрозу они представляют для жизненно важной национальной инфраструктуры.
Исследователи из этого Департамента, Городского университета Гонконга и Китайского университета Гонконга (Шэньчжэнь) разработали первый инструментарий с открытым исходным кодом, который поможет национальным операторам понять, каким именно образом сильная жара влияет на их энергосети.
«Этот анализ выявил скрытые структурные узкие места, и его следует интегрировать в планирование и адаптацию [энергетических] сетей по мере усиления волн тепла в условиях изменения климата».
«Этот анализ выявил скрытые структурные узкие места, и его следует интегрировать в планирование и адаптацию [энергетических] сетей по мере усиления волн тепла в условиях изменения климата».
Согласно модельному симулированию исследователей, Франция, Испания и Италия подвергаются наибольшему риску возникновения дефицита поставок и возможного отказа энергосистем. Германия и Великобритания оказались относительно более устойчивыми, хотя исследователи отмечают, что растущая частота и интенсивность аномальной жары также подвергает их сети риску выхода из строя.
Предотвращение коллапса энергосистем во время будущих волн тепла
«Мы надеемся, что поставщики электроэнергии будут использовать эти инструменты для выявления уязвимостей в своих системах и смогут предпринять необходимые меры для предотвращения их коллапса во время будущих волн тепла», — говорит автор-корреспондент Сринивасан Кешав (справа), профессор компьютерных наук имени Роберта Сансома здесь, в Департаменте.
Исследование «Heatwave-induced capacity bottlenecks in European electricity grids» — которое только что было опубликовано в журнале Nature Energy — как никогда актуально. Земля только что пережила свой самый жаркий август за всю историю наблюдений, согласно данным Всемирной метеорологической организации.
Однако исследование основано не на исключительно жарком лете 2026 года, а на долгосрочном изучении волн тепла 2019, 2022 и 2024 годов. Исследователи использовали их для изучения взаимосвязанных факторов, посредством которых волны тепла создают нагрузку на электросети.
Как они поясняют, волны тепла увеличивают спрос на охлаждение, что приводит к резкому росту потребления электроэнергии. Между тем, общая выработка электроэнергии падает, поскольку с ростом температуры солнечные панели теряют эффективность, а объемы производства традиционной и атомной энергетики снижаются во избежание перегрева. Те же антициклонические паттерны, которые приносят жаркую погоду, часто вызывают и слабый ветер, из-за чего ветряные электростанции начинают сбоить, что еще больше усугубляет проблему.
Нагрузку на линии электропередач также приходится снижать, чтобы предотвратить достижение температурных пределов, кроме того, они подвергаются повышенному риску обрыва из-за провисания на жаре. В совокупности эти взаимосвязанные проблемы могут привести к дефициту поставок и так называемому веерному отключению нагрузки (т.е. преднамеренным отключениям электроэнергии для снижения спроса и защиты энергосистем).
Хотя эти проблемы известны, исследователи отмечают, что традиционные модели и анализы до сих пор раскрывали лишь часть проблемы и при этом требовали огромных вычислительных затрат. Поэтому они разработали собственные алгоритмы, чтобы попытаться охватить полную картину происходящего с меньшими вычислительными затратами.
Ведущий автор Энмин Лян, доцент-исследователь Городского университета Гонконга, говорит: «Как только вы объединяете все факторы вместе — рост спроса, снижение мощности генераторов, снижение пропускной способности линий электропередачи — вы можете обнаружить скрытые узкие места, которые существующие методы не могут найти. Я думаю, это самый удивительный результат нашего моделирования».
Исследователи применили свою модель к электросетям Западной Европы в условиях прогнозируемых сценариев будущих волн тепла и представленных конфигураций сетей. Они сосредоточились на восьми странах (Испания, Португалия, Франция, Италия, Германия, Бельгия, Нидерланды и Великобритания), которые пострадали от недавних исторических волн тепла.
Существенные различия в устойчивости энергосистем в разных странах
Изучив результаты, полученные с помощью своей модели, они обнаружили значительные различия между странами. Во Франции, Испании и Италии они увидели, что волны тепла приведут к повышенному риску дефицита поставок и веерных отключений.
Однако в Германии и Великобритании ситуация выглядела иначе: анализ показал, что энергосистемы остаются сравнительно устойчивыми, хотя в них также наблюдается растущий риск сбоев по мере усиления волн тепла и пиков спроса.
Исследователи отмечают, что их выводы предполагают лишь консервативный ежегодный рост спроса в течение следующих пяти лет и не учитывают зарождающийся бум строительства дата-центров. Они также исходят из того, что существующие мощности хранения полностью заряжены к моменту прихода волны тепла, что не всегда соответствует действительности.
Существующие ресурсы хранения энергии не предотвратят отключения электроэнергии
«Даже при таком идеальном допущении существующих ресурсов хранения по-прежнему недостаточно для предотвращения отключений нагрузки», — говорит автор-корреспондент Минхуа Чэнь, председатель-профессор Китайского университета Гонконга (Шэньчжэнь) и профессор Городского университета Гонконга. «Я думаю, что это по-настоящему тревожный, удивительный вывод данного исследования».
Исследователи дают несколько рекомендаций, которые помогут операторам защитить свои сети от жары. К ним относятся наращивание мощностей по хранению энергии вблизи мест высокого спроса, модернизация существующих линий электропередачи для передачи больших объемов энергии при более высоких температурах, а также нанесение на ЛЭП охлаждающего светоотражающего покрытия.
Они также рассмотрели вопрос о том, могут ли страны рассчитывать на резервное питание от соседей во время волны тепла, но обнаружили, что, хотя в некоторых случаях это работает, это не всегда надежная стратегия.
«Межграничная поддержка не является универсальным средством от вызванных волнами тепла узких мест», — заключили они в своей статье. «Ее ценность зависит от того, имеют ли соседние системы избыточную мощность в условиях [той же] тепловой нагрузки, а также от наличия свободных избыточных мощностей в соседних системах и достаточной инфраструктуры передачи для доставки электроэнергии туда, где это необходимо».
Загружаемый инструментарий HEAT-Analysis
Исследователи делают свои наборы данных, алгоритмы и исходный код доступными в виде загружаемого инструментария под названием HEAT-Analysis, который, как они надеются, «обеспечит практические выводы для краткосрочного планирования устойчивости и инвестиционных решений». Операторам достаточно ввести собственные данные об инфраструктуре своей страны, и инструмент выявит уязвимости и позволит протестировать различные решения.
«Я бы сказал, что это представляет собой сдвиг парадигмы для европейских операторов сетей», — говорит проф. Чэнь. «При планировании и стресс-тестировании им действительно следует использовать условия аномальной жары или летних пиков наряду с традиционными зимними пиками. Я надеюсь, что наша работа привлекает к этому внимание людей».
Они предупреждают, что их работа имеет неизбежные ограничения, такие как неопределенности в отношении климата и прогнозов спроса, а также ограниченное разрешение общедоступных данных о сетях.
Но они говорят, что даже с учетом этих ограничений их инструмент «определяет, где, в какой степени и с помощью каких связанных физических механизмов волны тепла создают эксплуатационную нагрузку на представленную сетевую инфраструктуру».
Они добавляют, что «этот анализ выявил скрытые структурные узкие места, и его следует интегрировать в планирование и адаптацию [электрических] сетей по мере усиления волн тепла в условиях изменения климата».
- 'Heatwave-induced capacity bottlenecks in European electricity grids. Enming Liang, Minghua Chen, Srinivasan Keshav.
