Что такое распределенная генерация
Internet of Energy: как распределенная энергетика повлияет на безопасность, цены на электричество и экологию
В последнее время в прессе часто возникают сюжеты, в которых обсуждается майнинг криптовалюты в качестве нового и пока еще весьма экзотического способа загрузки избыточных мощностей российских электростанций. Причина проста — плата за электроэнергию в этом процессе составляют существенную долю затрат, а у нас довольно большое число электростанций сейчас остается незагруженными. В целом по стране профицит мощностей оценивается в 20-30 ГВт, что стало результатом излишне оптимистичных прогнозов роста спроса на электроэнергию и последовавшего сооружения новых энергоблоков. В Генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики до 2020 года, одобренной Правительством в самом начале 2008 года, закладывался среднегодовой темп роста спроса на электроэнергию от 4,3% в базовом варианте до 5,6% в максимальном варианте прогноза. Фактически за этот период спрос рос гораздо медленнее — в среднем менее 1% в год. При этом за период с 2007 по 2014 годы было построено чуть более 30 ГВт новых мощностей.
Казалось бы, вопрос о сооружении новых электростанций еще долгое время будет оставаться неактуальным — ведь бурное строительство новых блоков в последние 10 лет должно было создать достаточный резерв на многие годы вперед. Однако, к сожалению, нельзя решить проблему обеспечения электроэнергией раз и навсегда — оборудование изнашивается и в какой-то момент требует замены, а спрос, несмотря на все меры повышения энергоэффективности, все-таки имеет тенденцию к росту. Если оценивать темпы роста спроса гораздо более осторожно, чтобы избежать повторения ситуации десятилетней давности и учесть текущую экономическую ситуацию в стране и в мире, все равно виден хоть и очень умеренный, но все-таки рост электропотребления — согласно анализу Института Энергетических Исследований (ИНЭИ) РАН в период с 2016 по 2035 годы он составит в среднем 0,9-1,2% в год. А это означает, что существующий профицит генерирующих мощностей может быть исчерпан на горизонте 2023 — 2027 гг. Это, прежде всего, обусловлено возрастной структурой и состоянием эксплуатируемого генерирующего оборудования, а также динамикой рынка мощности и реакцией на нее генерирующих компаний.
Большинство действующих мощностей российских тепловых электростанций были введены достаточно давно. Средний возраст турбинного оборудования в последние годы оставался стабильным — около 32 лет в среднем по тепловым электростанциям (ТЭС) — во многом благодаря резкому увеличению инвестиционной активности и интенсивным вводам мощности на ТЭС за счет реализации договоров о предоставлении мощности (ДПМ). При этом после завершения проектов ДПМ в ближайшие 2-3 года и без обновления действующих мощностей, средний возраст оборудования снова начнет последовательно расти и к 2025 году перешагнет 40 лет, а для угольных электростанций приблизится к 45 годам. Это значит, что при загрузке оборудования в 60-70% каждый киловатт мощности «в среднем» наработает уже 200-250 тысяч часов, то есть, как минимум, достигнет паркового ресурса эксплуатации. Однако для значительной части мощностей, введенных в 60-80 годах XX века, наработка достигнет 350-400 часов, то есть приблизится к предельному индивидуальному эксплуатационному ресурсу. Кроме естественного уменьшения надежности такого оборудования, очевиден и моральный износ — эти электростанции сооружались в соответствии с требованиями к энергетической и экологической эффективности полувековой давности и требуют достаточно высоких затрат на поддержание нормальной эксплуатации.
По оценкам экспертов по итогам завершенного в сентябре конкурентного отбора мощности (КОМ), цена на 2021 год не покрывает затраты на мощность для около 25 ГВт тепловых электростанций. Генерирующие компании отвечают предложениями по выводу старых / убыточных мощностей из эксплуатации — так, согласно заявлению Председателя Наблюдательного совета Ассоциации «Совет производителей энергии» Александры Паниной, объем выводов мощности, заявленных участниками в КОМ 2021, составил порядка 4,4 ГВт. Учитывая данную тенденцию и темпы естественного старения и выбытия оборудования, даже в случае реализации всех заявленных в настоящий момент планов по сооружению в России новых атомных станций, гидроэлектростанций и крупных объектов солнечной / ветровой генерации (конкурсный отбор проектов общей мощностью 5,5 ГВт до 2024 года), дефицит мощностей в централизованной системе электроснабжения РФ на горизонте 2030 году составит около 55 ГВт, а к 2035 году вырастет до 65 ГВт. Так что делать новые инвестиции все равно придется, вопрос — какие именно?
Может показаться, что речь идет о каких-то очень отдаленных временах — но нужно помнить, что сроки реализации проектов подобного масштаба в данной отрасли довольно длинные, а принятые решения определят облик электроэнергетики на долгие годы, поскольку построенные электростанции будут эксплуатироваться десятилетиями. Поэтому всерьез задуматься о доступных вариантах развития электроэнергетики страны нужно уже сегодня, не дожидаясь наступления очередного «креста Чубайса» и реагирования на него в авральном режиме.
Варианты развития электроэнергетики
Базовый вариант развития отрасли описан в утвержденной Правительством страны в июне текущего года Генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики до 2035 года. По сути, в рамках данного варианта предполагается продолжение последовательного развития энергосистемы России в текущей парадигме — структура энергобаланса в течение следующих 20 лет остается практически неизменной, а возникающий дефицит мощностей традиционно закрывается проектами модернизации действующих электростанций или их заменой новыми крупными блоками.
В России запуск программ ценозависимого управления спросом начался для крупных потребителей, но пока в них участвует только одна компания — РУСАЛ. При этом по оценкам Энергетического центра бизнес-школы СКОЛКОВО потенциал программ управления спросом в России в случае их более массового распространения составляет 6-10 ГВт для первой ценовой зоны и 2-3 ГВт для второй ценовой зоны. В совокупности это очень значительный объем, для покрытия которого в менее плотном графике нагрузки потребуется более 30 типовых парогазовых энергоблоков мощностью 400 МВт. Весьма велик и потенциал «обычного» энергосбережения — замена энергопотребляющего оборудования более эффективным, сокращение потерь электроэнергии при передаче и потреблении. В 2010 году Правительством Российской Федерации потенциал повышения энергетической эффективности в конечном потреблении электроэнергии оценивался в 30% от конечного потребления электроэнергии. И даже если этот потенциал завышен, а часть реалистичного потенциала уже реализована, то все равно остается значительный ресурс сокращения потребления электроэнергии.
Преимущества распределенной энергетики довольно разносторонние — их анализ, в частности, был приведен в экспертно-аналитическом докладе фонда «Центр стратегических разработок» по теме «Цифровой переход в электроэнергетике России». Потребители нередко выбирают ее, как более предпочтительный по совокупности показателей надежности, качества и стоимости способ энергоснабжения по сравнению с поставками из распределительной сети (но обычно сохраняя последний в качестве «запасного» варианта). Самостоятельно инвестируя в распределенную энергетику, потребители, очевидно, снижают затраты на развитие сетевого комплекса и крупной генерации, снижают риски омертвления инвестиций за счет более гибкой инвестиционной модели реагирования на изменение динамики и размещения спроса, так как новые мощности добавляются более мелкими приращениями. Эти эффекты дополнительно усиливаются при сдерживании роста потребности в мощности комплексом мер по управлению спросом и децентрализованным энергообменом на основе распределенных источников энергии, что также позволяет отказаться или отложить проекты по сооружению новых мощностей и/или сетевой инфраструктуры большой энергетики.
Интернет энергии
Распределенная энергетика сопоставима по своей энергоэффективности (к.п.д) с крупными электростанциями, но из-за близости к потребителю характеризуется более низким уровнем сетевых потерь при распределении электроэнергии. Она также может обеспечить выполнение более высоких требований потребителей по доступности и качеству энергии, надежности энергоснабжения. Распределенность источников энергоснабжения также является важным фактором повышения энергетической безопасности, поскольку снижает риски тотальных блэкаутов и позволяет более быстро восстанавливать энергоснабжение потребителей после, например, природных катаклизмов, катастроф или кибератак. В этом смысле развитие распределенных источников энергоснабжения, как нового формата энергетической инфраструктуры, можно сравнить с развитием информационной инфраструктуры на основе систем распределенного хранения и обработки данных, превратившейся в итоге во Всемирную паутину. Все чаще новый подход к организации энергетических систем называют Интернетом энергии (Internet of Energy).
При сочетании распределенной энергетики с современными средствами управления активами, интеллектуализацией сетевой инфраструктуры, развитием потребительских сервисов может привести к значительным экономическим эффектам, в т.ч. приводящим к ограничению роста цен на электрическую энергию в долгосрочной перспективе. Помимо энергетических эффектов, развитие производственных мощностей и компетенций в области распределенной энергетики стимулирует развитие технологий управления, оборудования и сервиса, обеспечивающих их максимально эффективное использование в контуре энергосистемы и энергетического рынка, создает технологическую основу для массового появления ключевых элементов интеллектуальной энергетики — активных потребителей, а также создает возможности для выхода на масштабный глобальный рынок.
Поскольку значительную долю новых локальных мощностей в мире составляет микрогенерация на основе возобновляемых источников энергии (прежде всего это кровельные солнечные панели, все чаще — в комбинации с накопителями), либо более экологически эффективные мини-когенерационные установки, распределенная энергетика также является важным механизмом для сокращения выбросов парниковых газов и достижения мировых целей по борьбе с изменением климата. Потенциал этого механизма также может стать заметной частью усилий России в раках глобальной экологической кооперации, в том числе в рамках Парижских соглашений.
Безусловно, Россия имеет очень специфические особенности как территориального и климатического характера, так и исторически сложившейся структуры электроэнергетики. И прямое бездумное копирование зарубежных подходов может стать губительным для надежной и слаженной работы единой энергосистемы страны, создававшейся десятилетиями. Погоня за наращиванием доли распределенной энергетики в энергобалансе без четкого понимания преследуемых целей и получаемых эффектов может привести к нарушению нормальных режимов функционирования оборудования и сетей, переносу бремени по финансированию существующей централизованной инфраструктуры на более узкий состав потребителей и росту удельной стоимости киловатт часа для каждого из нас. Но и полное игнорирование этого глобального тренда чревато не только еще одним шагом в сторону технологического отставания, но и очередным раундом значительных вложений в модернизацию существующих и сооружение новых крупных энергоблоков — с риском повторного омертвления инвестиций и возложения избыточного финансового бремени на потребителей.
В результате как перед обществом в целом, так и перед более узким экспертным кругом встает очень интересная и актуальная, с точки зрения времени, задача — попробовать найти для российской электроэнергетики новый, комбинированный по своей структуре, сценарий развития, сочетающий традиционную централизованную модель с развитием распределенных энергоресурсов и, с одной стороны, учитывающий специфику страны, а с другой — позволяющий нам успешно интегрироваться и извлечь выгоды из общемировых тенденций для потребителей и экономики страны в целом, создав еще один центр спроса на инновации в электроэнергетике. Сценарий загрузки избыточной мощности майнингом криптовалюты, безусловно, интересен своей новизной, но, очевидно, такой прорыв обеспечить не сможет.
Распределенная генерация
Распределенное производство энергии как концепция строительства источников энергии и распределительных сетей. Факторы, стимулирующие развитие распределенной генерации. Возобновляемые источники энергии. Режимы работы автономных систем электроснабжения.
В настоящее время промышленно развитые страны производят основную часть электроэнергии централизованно, на больших электростанциях, таких как тепловые электростанции, атомные электростанции, гидроэлектростанции. Мощные электростанции благодаря «эффекту масштаба» имеют превосходные экономические показатели и обычно передают электроэнергию на большие расстояния. Место строительства большинства из них обусловлено множеством экономических, экологических, географических и геологических факторов, а также требованиями безопасности и охраны окружающей среды. Например, угольные станции строятся вдали от городов для предотвращения сильного загрязнения воздуха, влияющего на жителей. Некоторые из них строятся вблизи угольных месторождений для минимизации стоимости транспортировки угля. Гидроэлектростанции должны находиться в местах с достаточным энергосодержанием (значительный перепад уровней на расход воды).
Распределённое производство энергии подразумевает строительство дополнительных источников электроэнергии в непосредственной близости от потребителей. Мощность таких источников выбирается исходя из ожидаемой мощности потребителя с учетом имеющихся ограничений (технологических, правовых, экологических и т.д.) и может варьироваться в широких пределах (от двух-трех до сотен киловатт). При этом потребитель не отключается от общей сети электроснабжения.
В качестве дополнительных источников электроэнергии могут применяться как средства альтернативной энергетики (солнечные батареи, ветровые генераторы, топливные элементы), так и традиционные когенерационные установки (КГУ) малой и средней мощности. В последнем случае благодаря расположению когенерационных установок непосредственно у потребителей, становится возможным использование не только вырабатываемой электроэнергии, но и побочной тепловой энергии на нужды отопления, горячего водоснабжения или абсорбционного холодоснабжения самого владельца КГУ или сторонних потребителей, расположенных поблизости. Это позволяет добиться высокой эффективности использования топлива (до 90 % от потенциальной энергии).
1. Распределенная генерация
1.1 Предпосылки и тенденции
Электроэнергетика экономически развитых стран мира, в том числе, бывшего СССР, интенсивно развивалась в течение ХХ века главным образом путем повышения уровня централизации электроснабжения при создании все более мощных электроэнергетических объектов (электростанций, ЛЭП). Следствием этого явилось формирование территориально распределенных протяженных электроэнергетических систем (ЭЭС). Это позволило достичь существенного экономического эффекта, повысить надежность электроснабжения и качество электроэнергии.
К малой энергетике относятся и многие типы энергетических установок на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), прежде всего ветроэнергетические установки (ВЭУ). Малые ГТУ, ПГУ и ВЭУ устанавливаются непосредственно у потребителей и подключаются к распределительной электрической сети на напряжениях 6-35 кВ. Эти установки получили название «распределенная генерация».
Главными факторами, стимулирующими развитие распределенной генерации, являются:
адаптация потребителей к рыночной неопределенности в развитии электроэнергетики и в ценах на электроэнергию; это способствует снижению рисков дефицита мощности и повышению энергетической безопасности;
повышение адаптационных возможностей самих ЭЭС к неопределенности рыночных условий развития экономики и снижение тем самым инвестиционных рисков;
появление новых высокоэффективных энергетических технологий (ГТУ и ПГУ);
рост доли газа в топливоснабжении электростанций;
ужесточение экологических требований, стимулирующее использование ВИЭ (гидроэнергии, ветра, биомассы и др.) при протекционистской политике государств.
Распространённые на сегодня технологии распределённой генерации при сравнении с централизованной генерацией во многих случаях дают для распределённой генерации более высокие капитальные затраты (долларов / кВт) и текущие затраты (долларов / кВт. ч). Однако дополнительные преимущества, такие как когенерация тепла, повышение надёжности, отсутствие сетевых издержек, уже сейчас делают распределённую генерацию выгодной во многих применениях, некоторые из которых описаны ниже. Справедливая рыночная оценка всех преимуществ является ключевым фактором для определения перспективности таких проектов. Развитие технологий выводит на уровень экономической оправданности всё больше вариантов использования РГ.
Пока что основными интересами потребителей остаются возможности резервирования, экономия за счёт снижения расходов, повышенный КПД одновременной генерации тепла и электроэнергии. Энергокомпании уже начинают рассчитывать на существенную поддержку от распределённых генераторов при пиковых нагрузках, на использование этих мощностей для снижения потерь и улучшения параметров работы сети.
Для распределённой генерации используются и ставшие традиционными установки, и продукты новейших технологий. К традиционным относятся все типы установок внутреннего сгорания, среди которых лидируют дизели и двигатели, работающие как на дизельном топливе, так и на газе. Несмотря на непрерывное усовершенствование, они остаются экологически грязными по сравнению с использованием более новых технологий.
Микротурбинные установки вырабатывают электроэнергию на месте потребления, или в непосредственной близости от точки, где необходимо электричество. Микротурбинные установки производят электроэнергию, высокого и стабильного качества из различных видов топлива.
Стандартно установка комплектуется: микротурбиной с обвязкой внутри блок бокса, генератором, компрессором, рекуператором, котел утилизатор, системой автоматического управления с пультом, аккумуляторами, системой воздушного охлаждения и другим дополнительным оборудованием по заказу.
В процессе работы микротурбинной установки система управления и контроля осуществляет постоянный мониторинг всех основных рабочих узлов и параметров установки:
· работа газовой турбины
· работа системы утилизации тепла
· работа силовой электрической части
· работа аккумуляторного блока
· узла контроля загазованности,
при выходе за пределы заданных значений срабатывают автоматические блокировки, и происходит отключение.
Для эксплуатации установки не требуется оператор, контролировать ее работу и осуществлять связь с установкой можно через интернет, электронную или спутниковую связь из центральной операторной завода.
Отличительные особенности установок:
· Возможность применения установки, как в режиме автономной работы, так и в режиме параллельной работы с существующей электросетью.
· Возможности установки выдерживать очень высокие набросы и сбросы нагрузки (до 100%).
· Возможность работы на холостом ходу продолжительное время.
· Отсутствие скачков частоты получаемой электроэнергии.
· Возможность перенастройки комплектации установки для увеличения выхода тепловой энергии.
· Модульная конструкция предусматривает возможность сборки нескольких модулей в единый блок, позволяя получить необходимую мощность от 150 кВт до 10 МВт
· Малое количество и низкая стоимость расходных запасных частей.
· Очень малое время штатного технического обслуживания.
· Возможность работы на низкокалорийных газах.
· Долгий срок службы до капитального ремонта.
· Низкий уровень выбросов.
· Бесшумная и вибрационная работа
· Получаемая электроэнергия дешевле энергии получаемой из электросетей.
Рисунок 1. Топливный элемент
В основе топливных элементов лежит целое семейство технологий, основанных на катализаторном окислении водорода. Генерация электроэнергии осуществляется подобно генерации в обычной батарейке, без преобразования химической энергии в электричество через механическое движение. Все технологии работают практически без загрязнения окружающей среды, отходом является обычная вода. Кроме работы на чистом водороде, изготовление которого весьма дорого, топливные элементы могут использовать и другие виды топлива с высоким содержанием водорода.
Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент) или метанол и кислород воздуха. В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы содержат твердые реагенты, и когда электрохимическая реакция прекращается, должны быть заменены, электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или, теоретически, в них можно заменить электроды. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в неё реагенты и сохраняется работоспособность самого элемента.
Топливные элементы обладают рядом ценных качеств, среди которых:
§ У топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин (КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами).
§ Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в дизель-генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 53 %, чаще же составляет порядка 35-38 %. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80 %
§ КПД почти не зависит от коэффициента загрузки,
В воздух выделяется лишь водяной пар, что является безвредным для окружающей среды. Но это лишь в локальном масштабе. Нужно учитывать экологичность в тех местах, где производятся данные топливные ячейки, так как производство их само по себе уже составляет некую угрозу (ведь производство не может быть безвредным).
3. Компактные размеры
Топливные элементы легче и занимают меньший размер, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива. Применение топливных элементов позволит сократить затраты на логистику, снизить вес, продлить время действия приборов и оборудования.
1.5 Возобновляемые источники
Преимущества возобновляемых источников энергии
· Возобновляемая энергетика базируется на самых разных природных ресурсах, что позволяет беречь невозобновляемые источники и использовать их в других отраслях экономики, а также сохранить для будущих поколений экологически чистую энергию.
· Независимость ВИЭ от топлива обеспечивает энергетическую безопасность страны и стабильность цен на электроэнергию.
· ВИЭ экологично чисты: при их работе практически нет отходов, выброса загрязняющих веществ в атмосферу или водоемы. Отсутствуют экологические издержки, связанные с добычей, переработкой и транспортировкой ископаемого топлива.
· В большинстве случаев ВИЭ-электростанции легко автоматизируются и могут работать без прямого участия человека.
В менее экзотических условиях для страны с развитой инфраструктурой энергоснабжения различные технологии распределённой генерации могут использоваться для решения самых разных задач.
Упоминавшаяся выше когенерация тепла и электричества, повышающая КПД любой энергетической установки, гораздо эффективнее в условиях распределённой генерации, так как тепло на большие расстояния не транспортируется.
Свалки больших городов и очистные сооружения городской канализации при утилизации метана в микротурбинах дадут не только дополнительную электроэнергию городу, но и примерно в 20 раз уменьшат загрязнение атмосферы по сравнению с его сжиганием.
Микрогенераторы обеспечивают наличие резервных мощностей для жизненно важных применений (госпитали, лифты, водопровод и канализация) или для тех отраслей, где цена сбоя слишком высока (телекоммуникации, финансы, непрерывное производство).
Привлекательной для потребителя оказывается и возможность экономии в периоды пиковых нагрузок и растущих цен. Развитие конкурентного рынка доведёт рано или поздно дифференциацию цен до уровня розничного потребителя, и близки уже те времена, когда цена кВт. ч будет меняться в реальном времени. Чем более адекватными будут ценовые сигналы, получаемые потребителем, тем выгоднее будет включать собственный генератор для арбитража между ценами топлива и электричества. С распространением топливных элементов даже электромобиль в гараже может стать выгодно подключать по вечерам к управляемой компьютером домашней электросети и использовать как дополнительный генератор.
распределенная генерация энергия электроснабжение
Использование микрогенераторов может способствовать поддержанию высокого качества энергии в централизованной сети и снижать потребность в затратах на реконструкцию и обновление сетей и подстанций. Распределённые генераторы позволяют осуществлять поддержку напряжения и частоты, уменьшать потери в сетях и затраты на поддержание центральных резервов. Подробнее услуги, которые владельцы распределённых генераторов могут оказывать сетевой или генерирующей компании, рассмотрены ниже.
2. Новые возможности распределенной генерации
Дерегулирование энергетических компаний и либерализация рынков, как и любые реформы, вызывают озабоченность и ожидания снижения надёжности энергоснабжения. Такие ожидания могут объясняться обычными паникёрскими настроениями, но ошибки государственных регуляторов и самих дерегулируемых в процессе реформ (а иногда и до их начала) слишком часто превращают опасения в реальность. Поэтому спрос на резервные мощности на заднем дворе или в подвале будет в ближайшее время только расти.
Но, обезопасив себя от возможных сбоев, потребители начинают искать возможности сэкономить или даже заработать. Опыт показывает, что после дерегулирования рынка первые возможности для экономии появляются сразу.
Например, компания Tampa Electric ввела специальную программу для тех владельцев резервных генераторов, которые могут снизить потребление в период пиковых нагрузок более чем на 25 кВт. Радиосигнал, принимаемый специальным прибором, указывает владельцу на потребность энергокомпании в снижении нагрузки. Компания платит потребителю в месяц 3 доллара за каждый кВт средней нагрузки, перенесённой на резервный генератор. Если после получения сигнала оператор запустит свои мощности в течение 30 минут, экономия будет ещё больше. Потребитель получает деньги, даже если в течение месяца компания ни разу не просила его о переключении.
Реализация этой «программы-максимум» позволяет не только рассчитывать на включение собственного генератора в случае аварии или перегрузки местной электрической сети, но и следить за разницей цен на газ и электричество и играть на этой разнице, получившей название «искровой маржи», или просто продавать энергию в периоды пиковых нагрузок и высоких цен. Чем ближе создание рынка электроэнергии с изменяющимися в реальном времени ценами, тем привлекательнее становится такой «дополнительный» бизнес, могущий при некоторых условиях стать даже прибыльнее основного.
Не исключено, что интересы энергокомпаний и их лоббистский потенциал в государственных органах приведут к ограничению права продавать энергию через общую сеть для индивидуальных владельцев микрогенераторов. Однако, ограничивая это право, те же энергокомпании не прочь сами воспользоваться преимуществами новых технологий.
3. Подключение и тарификация
Наличие подключения к сети даёт возможность владельцу микрогенератора в случае выгодного для него стечения обстоятельств использовать варианты действий, недоступные в случае отсутствия такого подключения. Поэтому владелец готов будет заплатить сетевой и генерирующей компаниям определённую цену за сохранение такого подключения. Открывающиеся для подключённого к сети владельца возможности включают:
· Возможность продавать излишки энергии сбытовику, сети, или напрямую другим потребителям (если это позволено регулированием).
· Возможность покупать дополнительную энергию.
· Возможность покупать резервную энергию по долгосрочным контрактам.
· Возможность отказаться от собственной генерации и вновь стать покупателем энергии у сбытов или генераторов.
· Возможность арбитража между ценами на топливо (в основном газ) и электричество.
· Возможность продавать сетевой компании услуги по поддержке сети.
4. Проблемы подключения
На пути создания виртуальных электростанций надо решить ещё множество задач. Начнём с технологических.
Как говорилось выше, основные споры сегодня разворачиваются вокруг подключения распределённых генераторов к единой сети. Владельцы микрогенераторов хотят иметь подключение и для покупок резервной энергии, и для возможности осуществлять продажу своего избытка. Различия в типах используемых генераторов, технологиях, режимах нагрузки на объекте владельца микрогенератора (в доме, офисе, на предприятии)» все эти факторы усложняют внедрение единых стандартов. Условия подключения к единой сети многих генераторов зависят от состояния сегментов сети, общей мощности нагрузки, отношения мощности нагрузки к мощности подключаемых генераторов. При высокой суммарной мощности синхронизация множества распределённых генераторов создаёт сложную задачу расчёта и диспетчеризации.
Важной проблемой становится, например, отключения участка сети при авариях, так как наличие работающего у потребителя генератора может представлять угрозу для тех, кто работает на линии, полагая её отключённой.
Управление распределёнными генераторами требует создания телекоммуникационной сети и центра диспетчеризации. В центре (а может быть, и в самих местах генерации) должны осуществляться мониторинг рыночных цен, состояния сети и нагрузки, обработка информации соседних производителей и сбытовиков, и на основании этих данных приниматься решения об использовании мощностей. В местах размещения генераторов должно стоять специальное «умное» оборудование, способное по сигналам от удалённого диспетчерского центра управлять режимами работы генератора и энергопотреблением помещения, в котором он установлен. Возможные варианты телекоммуникационной сети, связывающей центр и генерацию, включают как использование телефонных каналов, входящих в дома, так и передачу данных по тем же самым электрическим проводам.
Для подключения генерирующего оборудования к сети потенциальному поставщику электричества требуется специальное оборудование, отвечающее требованиям по возможности дистанционного управления. Специальные счётчики, передающие результаты измерений в режиме реального времени, также должны стать стандартным элементом архитектуры распределённой генерации.
Предвидя нарастающие сложности, сетевые компании зачастую предлагают весьма сложную и дорогостоящую процедуру сертификации каждого конкретного подключения, реально тормозящую развитие рынка.
Тарификация энергии для потребителей с установленными генераторами становится непростой задачей. Обычная практика на сегодня состоит в установлении единого тарифа за кВт. ч, включающего плату как за текущее потребление, так и за подключение, поддержку сети, возможность использовать резервы (надёжность), и иные «фиксированные» услуги. Тем самым снижение текущего потребления у владельца микротурбины или топливного элемента перекладывает оплату фиксированных издержек генерирующих и сетевых компаний на других потребителей, не владеющих своими генераторами, или на акционеров энергокомпаний. Возможность выбора поставщиков и установление рыночных цен на отдельные услуги из пакета, покупаемого потребителем, будет способствовать решению этой проблемы.
Сама процедура измерения потреблённой и произведённой энергии для владельца генерирующих мощностей представляет проблему. Если генератор потребителя работает, его счётчик будет вращаться медленнее. Если генератор производит больше энергии, чем потребляется из сети, счётчик просто закрутится в обратную сторону. Если использовать такой нетто-результат для определения оплаты по стандартному розничному тарифу, то получится весьма выгодный бизнес » владелец генератора продаёт свою энергию обратно сбытовой компании по розничным ценам. Сегодня в условиях единого тарифа оптовая цена включает плату за резервирование мощностей, а розничная цена включает ещё и плату за передачу и распределение, за надёжность и обслуживание. Тем самым потребитель-владелец генератора получает оплату за услуги, которых в реальности не оказывает. Разделение услуг и тарифов поможет решить и эту проблему. Альтернативным решением является установка более дорогого измерительного оборудования, позволяющего учитывать потребление и производство отдельно. Выход всё более широких слоёв производителей электроэнергии на дерегулированный рынок, на котором цены меняются ежечасно, потребует для организации продаж энергии от распределённых генераторов более совершенных счётчиков, способных учитывать распределение потреблённой и произведённой энергии по времени суток.
2. Режимы работы автономных систем электроснабжения
Как правило, выпускаемое ведущими производителями генерирующее оборудование, предназначенное для распределенной генерации электроэнергии (дизель-генераторы, микротурбинные или газопоршневые установки) имеет возможность работы в двух различных режимах:
· параллельно с сетями
Отличие состоит в способе управления генерацией электрической энергии для каждой единицы оборудования.
1. Автономный (островной) режим
К выходным клеммам оборудования подключена только электрическая нагрузка объекта.
Если энергокомплекс состоит из параллельно включенных единиц оборудования, уровни напряжения и фазы между ними должны быть строго синхронизированы и автоматически регулироваться для обеспечения равномерной загрузки генерирующего оборудования. Для этого, как правило, используется специальная система управления, выполненная в виде отдельного модуля или поставляемая в составе каждой единицы оборудования.
Рисунок 2. Пример включения в автономном режиме
2. Режим параллельно с сетью
Генерирующее оборудование подключается параллельно к сетям и к локальной электрической нагрузке. Для генерирующего оборудования сеть представляет собой источник напряжения 400 В неограниченной мощности с внутренним сопротивлением, близким к 0. Потребляемая мощность локальной нагрузки пренебрежимо мала по сравнению с мощностью сети и в этих условиях нагрузка никак не влияет на параметры сети (напряжение, фаза, частота).
Генерирующее оборудование при таком соединении оказывается подключенным параллельно к источнику напряжения и может генерировать электрический ток (передавать электрическую мощность) в направлении локальной нагрузки и сети в любом количестве (в силу низкого внутреннего сопротивления сети), в пределах собственной выходной мощности.
Рисунок 3. Пример подключения параллельно с сетью
Таким образом, в отличие от «островного» режима, где происходит генерация напряжения, в данном случае генерируется ток (Current Mode). Количество электрической энергии (мощности), передаваемой в сеть и в локальную нагрузку, может регулироваться. Данная возможность позволяет при необходимости автоматически регулировать суммарную мощность генерации энергокомплекса.
Каждая единица оборудования самостоятельно синхронизируется с сетевым напряжением и контролирует его параметры. Специальные меры по синхронизации работы между единицами генерирующего оборудования в данном режиме не требуются, следовательно, теоретически параллельно с сетями может быть включено любое количество единиц оборудования.
Работа параллельно с сетями широко распространена в западных странах благодаря наличию законодательного разрешения и существующим тарифам передачи энергии от распределенных источников в сеть, благодаря чему использование этого режима экономически выгодно.
В РФ работа генерирующего оборудования параллельно с сетями в настоящее время встречается редко из-за отсутствия разрешений сетевых компаний на передачу энергии в сеть и отсутствия соответствующих тарифов.
3. Режим «следования за нагрузкой»
Рисунок 4. Пример включения в режиме «следования за нагрузкой»
Имеется возможность организации работы энергокомплекса параллельно с сетями, но без передачи электрической энергии в сеть. Этот режим работы имеет наименование «следование за нагрузкой».
При настройке системы программно задается минимальное значение мощности, потребляемой от сети.
По достижении заданного минимального значения контроллер в соответствии с алгоритмом изменяет мощность генерации всех генерирующих установок таким образом, чтобы предотвратить передачу электрической энергии от генерирующих установок в сеть и поддерживать заданное минимальное значение мощности, то есть поддерживает соотношение Pлн>Pген (см. рис.5, а)
Вследствие функционирования такого алгоритма энергоблок при любых значениях локальной нагрузки работает с некоторым потреблением энергии от сети.
Рисунок 5. Распределение мощности генерирующих установок при различных соотношениях мощности нагрузки и генерации
Тенденции развития электроэнергетики в мире связаны не только с ростом масштабов производства электроэнергии на традиционных крупных электростанциях, но и с увеличением доли распределенной генерации. Эти тенденции определяются появлением новых высокоэффективных энергетических технологий, ростом доли высококачественных видов топлива, ужесточением экологических требований, стимулирующем использованием ВИЭ при протекционистской политике государств.
Рост доли распределенной генерации в ЭЭС не только имеет положительные стороны, но и создает определенные технические проблемы, которые связаны с изменением свойств систем, возможностей управления ими в нормальных и аварийных условиях. Эти проблемы решаемы, однако при этом усложняется диспетчерское и автоматическое управление ЭЭС, требуется разработка новых математических моделей по обоснованию развития ЭЭС и систем электроснабжения, анализу их режимов и управлению ими. В данной работе были рассмотрены три режима подключения отдельных генерирующих блоков к системе и представлен пример решения проблемы с передачей энергии в сеть.
Список использованной литературы
1. Энергетика XXI века: Условия развития, технологии, прогнозы / Л.С. Беляев, А.В. Лагерев, В.В. Посекалин; Отв. ред.Н.И. Воропай. Новосибирск: Наука, 2004, 386 с.
3. Воропай Н.И., Ефимов Д.Н. Требования к противоаварийному управлению ЭЭС с учетом изменения условия их развития и функционирования // Надежность либерализованных систем энергетики. Новосибирск: Наука, 2004, с.74-84.