Как и почему Испания погружалась во тьму - первые выводы

Всего через две недели после громкого заявления Испании о статусе «самой зелёной» энергосистемы Европы её сети рухнули, утянув в энергетическую пропасть Португалию и Францию. Каскадный блэкаут, стартовавший с отключения двух АЭС — символа стабильности в эпоху ветряков и солнечных панелей, — погрузил во тьму 60 млн человек. Как «зелёный» триумф обернулся системным коллапсом? Почему инверторы стали слабым звеном в цепи возобновляемой генерации? И при чём здесь пожар на французской магистрали?

Последствия понятны, причины ветряны

Интересная во всех отношениях история, которая недавно произошла в энергосистеме сразу 3 европейских государств, за несколько дней набила оскомину многим. А интересна она тем, что обвалившаяся энергосистема Испании, которая ещё 16 апреля громко провозгласила себя «самой зелёной» в Европе, утянула за собой ещё 2 соседних государства, Португалию и Францию. Произошло всё как в шутке про канадский хоккей. Который, как известно:

«…тем и прекрасен, что в нём не стыдно падать. Главное, падая, уронить с собой как можно больше соперников».

Главный вопрос в том, почему так произошло. В свете этих событий крайне интересное пояснение по поводу энергосистемы Испании пришло от энергетика Александра Малькова, но об этом поговорим чуть дальше. Для начала надо вспомнить несколько пикантных подробностей. Так, ещё несколько лет назад на специализированном ресурсе Aftershock один из пользователей опубликовал заметку с очень наглядными расчётами. Из них следовало, что после достижения доли возобновляемой «рваной генерации» в энергобалансе 25% она становится мощнейшим фактором, дестабилизирующим энергосистему страны, и в пример там приводилась Австралия, которая в тот период переживала натуральный коллапс. В этой же статье были высказаны 2 предположения, как сохранить стабильность энергосистемы:

• Увеличение установленной мощности маневровых генерирующих электростанций, которые включаются в энергосеть, когда ветряки и солнечные панельки выпадают.
• Стабилизация энергосистемы за счёт перетоков электричества к соседям (на примере Германии).

Из этого можно сделать несколько выводов. Во-первых, рваную (т. е. зависящую от времени суток) генерацию создают только солнечные и ветроэлектростанции в силу своих технологических ограничений. Во-вторых:

«По данным на апрель 2025 года, доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в энергобалансе Испании — 56,8%. <...> 23,2% — ветряные электростанции, 20% — атомные электростанции, 17% — солнечные электростанции, 13,6% — газовые установки комбинированного цикла и 13,3% — гидроэлектростанции», — RG.RU.

В-третьих, никакого существенного ввода в строй генерирующих мощностей на основе угольных или газовых станций, а именно они служат маневровыми, в последние годы в Испании не сообщалось. Что неудивительно, ибо когда 90% энергоносителей в страну импортируется, особо не разойдёшься. В-четвёртых, за неимением других вариантов Португалия и Франция не от великого восторга, но для поддержания общей энергетической повестки обеспечивали необходимые перетоки электроэнергии для стабилизации объединённой энергосети. С этого момента и начинается самое интересное.

Карл, как? 

Итак, на дворе 28 апреля — Испания. Ничего не предвещает беды, как в 12:32 по местному времени выключается первый объект из энергосети, за которым происходят каскадное срабатывание защитной автоматики по всей стране. Буквально через 5 секунд энергосистема теряет половину генерации. А через 10 происходит тотальный блэкаут, который затрагивает 60 млн человек. Но гораздо любопытнее, какой объект был первичным звеном.

Так, уже к концу дня появилась первая официальная версия. В ней сообщалось, что на юго-западе Испании одна за другой отключились 2 электростанции, судя по сообщениям, атомных. Что и спровоцировало каскадное обрушение сети. Однако почему такое вообще стало возможным и при чём тут АЭС?

Возможно, блэкаута и удалось бы избежать, если бы не одна особенность, связанная с солнечными и ветровыми электростанциями, про которую и напомнил Александр Мальков. Дело в том, что как первые, так и вторые (в Испании так точно) вырабатывают постоянный ток. А в энергосистему должен подаваться только переменный. Чтобы постоянный ток превратить в переменный, на этих электростанциях используются инверторы. Инверторы же относятся к силовой электронике. То есть вещь сама по себе довольно дорогая и сильно зависимая от перегрузок и колебаний внутри сети. И теперь мы наконец подошли к самому важному, откуда могла возникнуть перегрузка.

Блэкаут был неизбежен

Испания, будучи нетто-экспортером электроэнергии, поставляет на внешний рынок больше электроэнергии, чем покупает. Её «зелёную» электроэнергию получают Марокко, Франция, Португалия и крошечная Андорра. А ещё 27 апреля, ровно за день до капитального затемнения, появилась весьма незаметная новость:

«27 апреля во Франции, недалеко от границы с Испанией, на участке высоковольтной магистрали между городками Перпиньян и Нарбонна случился пожар, в результате чего этот участок сети выпал из схемы транзита», — пишет РИА Новости. 

Вдруг выяснилось, что это единственный синхронизированный энергомост, по которому испанские мегаватты перетекают во Францию, ко второму по величине импортёру электроэнергии. Ну и финальный аккорд.

Незадолго до часа «X» Испания на мгновение оказалась в ситуации, когда котёл паровоза уже раскалён до предела, а пар выпустить некуда. Ещё 16 апреля обитатели Пиренейского полуострова торжественно сообщили о рекорде, который получился благодаря благоприятной погоде:

«Благоприятные погодные условия позволили ей разогнать ветровую генерацию до 256 гигаватт-часов (45% национального производства электричества), а солнечные панели выдали 151 гигаватт-час (27%). А 21 апреля, то есть ровно за неделю до каскадного схлопывания, был установлен новый рекорд: сектор солнечной генерации вышел на мгновенную мощность свыше 20 гигаватт, покрыв 78% всего спроса», — пишет РИА Новости. 

Эта «благоприятная погода» сыграла злую шутку 28 числа. Нетрудно догадаться, что произошло. В ночь на 27 апреля энергосеть, оказавшись в условиях перманентного избытка электроэнергии, попыталась перелить его в Марокко, но там его девать оказалось некуда, склады забиты, цистерны полны. У энергетиков было не так много времени, чтобы решить проблему до того, как начнёт срабатывать защита на электростанциях, которые отвечают за стабилизацию частоты, она должна равняться 50 Гц. И это критически важно.

Чтобы вы понимали, насколько, на сайте российского Системного оператора частота в энергосистеме отображается на главной странице сайта в реальном времени как главное мерило эффективности его работы. По нашему ГОСТу допустимое отклонение составляет 0,2 Гц. Дело в том, что частота тока в сети напрямую связана с угловой скоростью вращения ротора (так называют вращающуюся часть двигателей). Изменение частоты в питающей сети приводит к изменению скорости вращения всех двигателей, начиная от ваших бытовых, заканчивая промышленными. И частота тока, так как ротор имеется и в генераторах, меняется в 2 случаях:

• Первый, когда к генераторам подключили большую нагрузку. Растёт тормозящий момент, ротор замедляется, и частота падает.
• Второй, когда отключается большое количество потребителей, и роторы генераторов раскручиваются, повышая частоту.

Второй случай — это и есть то, что произошло с энергосистемой Испании. Как правило, функция поддержания частоты возложена на крупные АЭС. Когда произошёл пожар на энергомосте с Францией, отключилась часть потребителей. Какое-то время энергия аккумулировалась в системе, очевидно, за счёт переливов к другим соседям и определённой внутренней ёмкости, которая обеспечивается аккумулирующими электростанциями, но наступил момент, когда всё оказалось забито под завязку, а ветряки и солнечные станции продолжали молотить как не в себя во имя нового рекорда. В сети начала повышаться частота, и первыми сдали упомянутые в начале статьи АЭС, которые должны были выполнять обеспечительную функцию.

Моментально нагрузка упала на газовые электростанции, но при выпадении крупнейших производителей электроэнергии в лице АЭС восполнить её негде. Частота рухнула ниже предельных значений, и сработала автоматика, защищающая инверторы на солнечных и ветряных станциях. В результате непродолжительной передачи эстафеты рухнула вся энергосеть Испании, утянув за собой и часть Португалии и Франции.

И главная причина, почему катастрофа стала возможной. 

Испанские энергетики попросту не справились со стабилизацией сети в условиях избыточной генерации. Что не мудрено. Когда 80% генерации невозможно контролировать, а 20% — это АЭС, которые должны обеспечивать стабильную частоту в энергосистеме, пространства для манёвра просто не остаётся. Хуже всего то, что ветряная и солнечная энергетика не работает с максимальной отдачей.

Когда вам нужно 50 гигаватт электроэнергии, приходится строить станции с установленной мощностью в 100. И вы никогда не будете знать, когда вам, не дай бог, повезёт с погодой. В этом случае единственное, что останется, это надеть каску, забраться в ванную и ждать, где первым бахнет. Или отключать часть ВИЭ от сети, смирившись с возможным ущербом электростанции. Но по нынешним европейским стандартам это было бы подобно святотатству...