Распределённое производство энергии (англ. Distributed power generation) — концепция строительства источников энергии и распределительных сетей, которая подразумевает наличие множества потребителей, производящих тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, а также направляющих излишки в общую сеть (электрическую или тепловую).
Взаимная выгода
И бизнес, и государство - бенефициары распределенной энергетики. Бизнес следит за повышением эффективности использования топливных ресурсов, он заинтересован не только в оптимизации затрат, но и в управлении этими затратами, в укреплении своей рыночной устойчивости. Для бизнеса особое внимание к снижению транспортной составляющей в стоимости электроэнергии наполнено вполне конкретным конкурентным смыслом.
Государство же заинтересовано в омоложении парка генерирующего и транспортирующего оборудования на национальной территории. Обновление этого парка сделает энергетические сети более доступными, будет способствовать развитию бизнеса и созданию новых рабочих мест. Кроме того, государство заинтересовано и в минимизации расходов бюджета на обеспечение ЖКХ разными видами энергии. Для этого оно стремится нормировать необходимые расходы и предпринимать меры для их снижения. А это означает и необходимость наращивать использование технологий когенерации.
Где расположиться?
Объекты распределенной энергетики могут быть расположены как в зонах централизованного энергоснабжения, так и на изолированных территориях, где нет электросетей. В первую очередь объекты будут находиться там, где предприятиям в силу своей производственной деятельности удобно использовать собственную генерацию. К примеру, на объектах добычи полезных ископаемых, мелких производствах, аварийно-спасательных службах и т.д.
Кроме того, объекты распределенной генерации возникают там, где бизнес объявляет государству о росте нагрузок при уже имеющемся энергодефиците, и там, где в коммунальном энергоснабжении востребовано внедрение когенерационных установок. (К слову, наибольшей эффективности при вводе в действие новой мощности можно добиться, если использовать тригенерацию: в таком случае, помимо электроэнергии, эксплуатирующая компания получает в распоряжение пар для отопления и холод взамен кондиционеров, используемых для охлаждения оборудования летом.)
Иногда крупный бизнес сам решает проблемы энергообеспечения. Можно вспомнить Ново-липецкий металлургический комбинат, Магнитогорский металлургический комбинат и другие. Чем меньше - тем лучше Можно остановиться на результатах исследования, которое выполнило Агентство по прогнозированию балансов в энергетике еще в 2011 г. Речь идет не только об анализе существующего состояния в обеспечении электроэнергией, но и о путях повышения надежности электроснабжения проблемных энергоузлов.
В работе рассматривались наиболее дефицитные по мощности энергорайоны. В этих районах выбирались энергоузлы с растущей нагрузкой или несоответствующие нормативным требованиям электроснабжения, в которых уже планируется строительство подстанциий и генерирующих мощностей. В итоге было отмечено, что основной фактор, определяющий возможность сокращения дефицитов мощности в энергорайонах - это развитие распределенных источников малой и средней генерации, приближенных к потребителю, а также всемерное развитие когенерации. Было предложено строительство восьми электростанций в диапазоне мощности от 20-24 МВт до 200–250 МВт, причем наибольшее количество станций должно было иметь малую мощность.
Эффективность новых электростанций напрямую зависела от установленной мощности. До 25 МВт станции были эффективны даже без отпуска тепла, очевидно, что с отпуском тепла и с продажами на розничном рынке они тем более они будут эффективны. Если станция выше 25 МВт, расчеты по сравнительной эффективности инвестиционных проектов (речь шла как о строительстве новых электростанций, так и о расширении существующих) показали, что сроки их окупаемости будут слишком велики.
Следует понимать, что строительство новых электростанций частными инвесторами существенно снижает объем необходимого электросетевого строительства, а значит и инвестиционную нагрузку на Федеральную сетевую компанию и Россети. Кроме того, оно укрепляет надежность электроснабжения проблемных энергоузлов, а также формирует социальные выгоды, такие как занятость и новые рабочие места.
Сравнить масштаб
Сегодня можно утверждать, что распределенная энергетика как явление в нашей стране состоялась. За первую половину 2013 г. Совет рынка выдал подтверждение на работу на розничном рынке 22 организациям распределенной генерации. По данным газеты «Коммерсантъ», к имеющимся на 2011 г. 1,5 ГВт установленной мощности, распределенная энергетика прирастет к 2014 г. еще 500 МВт.
Распределенная энергетика, несомненно, будет развиваться и дальше, поскольку на рынке существуют участники, заинтересованные в этом процессе. К примеру, ОАО «Россети» выступило с заявлением, что планирует активное участие в развитии платформы малой и распределенной генерации.
Довольно часто звучит вопрос: а надо ли опасаться развития распределенной энергетики?
Не надо. Даже если доля распределенной энергетики достигнет размеров, сопоставимых с мировыми, а это 12,5 % от общей выработки электроэнергии, это обстоятельство не может снизить экономическую эффективность работы Единой энергосистемы. Напротив, надежность электроснабжения будет укрепляться в связи с созданием новых объектов распределенной генерации, нагрузка сетевых компаний снизится и это скажется на тарифах.
Играть по правилам
Тем, кто планирует создание собственных объектов распределенной генерации, нужно обращать особое внимание на состав используемого оборудования. Если объекты распределенной генерации выйдут в сеть, а они обязательно будут к этому стремиться, то они должны соответствовать требованиям Системного оператора.
Сегодня же инвесторы часто покупают оборудование, не соответствующее требованиям, а потом разводят руками - мы уже купили, что делать? Приходится его дорабатывать. Чтобы избежать подобных трудностей, необходимо, чтобы требования Системного оператора были, во-первых, разумно-достаточными, а, во-вторых, понятными для всех участников рынка.
Энергомашиностроительной отрасли следует быть внимательной к развитию распределенной энергетики, продемонстрировать готовность предложить необходимое оборудование. Кроме того, нужно выработать типовые решения по составу оборудования, добиться его унификации для достижения легкости в эксплуатации, в том числе в удаленных и труднодоступных местах.
Также следует описать правила игры с субъектами распределенной энергетики на рынке и стремиться к упрощению, ускорению регламентов согласования введения новых объектов.
Николай Копылов, директор Уральского филиала ЗАО «Агентство по прогнозированию балансов в энергетике» (г. Екатеринбург)
В российской электроэнергетике малая распределенная генерация уже играет заметную роль: на нее приходится от 5 до 10% всего производства электроэнергии в стране. Проблема - не в развитии распределенной энергетики самой по себе, а в стихийности этого явления. Подробнее - в статье Татьяны Ланьшиной .
Под распределенной энергетикой принято понимать совокупность технологий, которые позволяют генерировать электроэнергию рядом с местом ее потребления. Такая генерация представлена не гигантскими электростанциями, а небольшими или даже микро-установками, поэтому к термину «распределенная энергетика» часто добавляется уточнение «малая». Для простоты оценки масштабов развития отрасли часто вводится предположение о мощности – например, многие российские эксперты относят к малой и распределенной энергетике генерирующие объекты с установленной мощностью менее 25 МВт (хотя точки отсечения могут быть и иными – многие иностранные эксперты проводят разграничение на уровне 10 МВт, некоторые – на уровне 50 МВт).
Как бы там ни было, но в российской электроэнергетике малая распределенная генерация уже играет заметную роль. По имеющимся оценкам, на нее приходится от 5 до 10% всего производства электроэнергии в стране. Суммарная установленная мощность малых электростанций составляет 12-17 ГВт. Помимо этого, у крупных промышленных потребителей достаточно много генерирующих установок с мощностью более 25 МВт.
Во многих районах нашей страны использование централизованной энергетики невозможно –более 2/3 территории России находится вдали от сетей. Что касается промышленных предприятий, то они вынуждены переходить на собственную генерацию из-за высокой стоимости подключения к сети и из-за высоких тарифов на электроэнергию и их постоянного роста. В регионах с высокими тарифами строительство собственных генерирующих мощностей имеет большой экономический смысл, в особенности, если установка работает в режиме когенерации. Срок окупаемости таких проектов часто составляет всего два-три года, а прибыль доходит до 5-6 рублей за 1 кВт*час. Такой переход не является безболезненным для Единой энергетической системы (ЕЭС), поскольку ее покидают наиболее сильные (в том числе, с финансовой точки зрения) промышленные потребители; при этом на плечи остающихся потребителей перекладывается содержание всей энергосистемы.
Поэтому очевидно, что проблема заключается не в развитии распределенной энергетики самой по себе, а в стихийности этого явления.
http://shkolageo.ru/
Вообще процесс развития отечественной распределенной генерации существенно отличается от мирового. Во-первых, Россия подключилась к этому процессу сравнительно недавно и, следовательно, отстает от других стран. Позднесоветская электроэнергетическая система, которая досталась в наследство современной России, характеризовалась высокой степенью централизации и гигантскими размерами генерирующих объектов. Аналогичная ситуация долгое время наблюдалась и в других странах. Однако в Европе и в США энергетические системы начали постепенно меняться еще несколько десятилетий назад, когда стали доступны технологии возобновляемой энергетики и новые технологии генерации электроэнергии за счет газа в малых масштабах. Сейчас во многих европейских странах на распределенную генерацию уже приходится 20-30% всего производства электроэнергии. В России пока относительно мало объектов распределенной генерации – по имеющимся оценкам, во всей стране их число сейчас составляет примерно 50 тыс. единиц. Для сравнения: в США их насчитывается свыше 12 млн.
Во-вторых, в англоязычной литературе понятие «распределенная энергетика» все чаще и чаще употребляется в контексте проектов ВИЭ, хотя, конечно, не ограничивается ими. Российская распределенная энергетика почти полностью представлена объектами на газе (газопоршневые и газотурбинные установки) и на дизельном топливе. Дизельная генерация широко применяется на удаленных территориях. Хотя в последние несколько лет на этих территориях стали появляться и солнечные электростанции (ярче всего этот тренд заметен в Якутии - СЭС в с. Батамай, Ючюгей, Дулгалах и др.). Основной стимул этого процесса – экономия дорогого дизельного топлива и, следовательно, снижение расходов на обеспечение жителей электроэнергией. Но пока переход удаленных территорий на ВИЭ идет медленно – число реализованных проектов не превышает пары десятков, их мощность обычно составляет всего 20-60 кВт, и в основном эти электростанции находятся в Республике Саха (Якутия). Эксперименты с ветроэнергетическими комплексами в удаленных поселках являются еще менее распространенными.
Тем не менее, в конце 2016 года развитие солнечно-дизельной генерации было отнесено к национальным проектам. До 2021 года планируется строительство более 100 гибридных электростанций. В 2017 году ГК «Хевел» подписала соглашение с корейской компанией Hyundai и Агентством Дальнего Востока, в соответствии с которым в регионах ДФО планируется построить 40 МВт солнечно-дизельных электростанций. Вот это уже будет заметная величина.
Российские промышленные предприятия в основном обзаводятся газопоршневыми и газотурбинными электростанциями. Примеры установки генерирующих объектов на ВИЭ на промышленных предприятиях крайне редки, но все же они начинают появляться. Так, в 2016 году «Хевел» поставила оборудование для СЭС, которая будет частично обеспечивать потребности в электроэнергии деревоперерабатывающего завода «Кадрин» в Бийске (Алтайский край). Ожидается, что эксплуатация данной СЭС позволит снизить расходы завода на электроэнергию. Данная СЭС является первым объектом распределенной энергетики, которая обеспечивает электроэнергией промышленное предприятие в Сибири.
Наконец, в России распределенная энергетика пока зачастую воспринимается как объект микрогенерации, поставить который в удаленном от сети поселке выгоднее, чем тянуть туда за сотни километров линию электропередачи. Причем такие взгляды на отрасль высказывают в том числе главы некоторых энергетических компаний. В мире же и малая, и распределенная генерация рассматривается как один из важнейших элементов энергетики будущего. Согласно общемировым представлениям, она включает в себя не просто совокупность объектов генерации малой мощности, но и накопители энергии, и электромобили, и микросети (а также умные сети, использующие информационно-коммуникационные технологии для сбора и обработки информации о спросе на электроэнергию и о ее производстве), управление спросом на электроэнергию, энергоэффективные технологии. Кроме того, распределенная энергетика меняет роль потребителя – помимо непосредственно потребления он также начинает генерировать электроэнергию и накапливать ее (становится просьюмером).
Конечно, в России тоже ведутся разговоры об умных сетях и электромобилях, Осуществляется реализация «дорожной карты» Национальной технологической инициативы (НТИ) EnergyNet, а также ее пилотных проектов. С 2013 года при Минэнерго РФ действует рабочая группа по внедрению локальных интеллектуальных энергосистем. В некоторых (но далеко не во всех) стратегических документах отражены планы по развитию распределенной энергетики в стране.
Однако серьезную перестройку энергетического сектора пока никто не планирует, и разговоры весьма далеки от реальности. Достаточно привести в пример один простой факт: если в развитых странах объекты распределенной генерации обычно подключены к сети, то в России они преимущественно автономны. Это означает, что российская энергетика пока не ждет прихода никаких просьюмеров, умных сетей и прочих важных составляющих современной распределенной генерации. Более того, в российском законодательстве до сих пор отсутствует даже понятие «распределенная энергетика», и отрасль пока никак не регулируется. Надо заметить, это весьма выгодно для отечественных компаний, занимающихся строительством и обслуживанием мини-электростанций на ископаемом топливе, поскольку сейчас они имеют много свободы.
Размещение объектов генерации рядом с точками потребления электроэнергии позволяет снижать потери при передаче и распределении энергии, более гибко реагировать на изменение спроса на электроэнергию, а также во многих случаях повышать надежность системы. Также уход от централизованной энергосистемы требует высокотехнологичных решений, нового оборудования и программного обеспечения. Таким образом, децентрализованная генерация обладает потенциалом снижения издержек и высоким инновационным потенциалом. Учитывая все сказанное, распределенная энергетика должна рассматриваться не как угроза сложившейся энергетической системы страны, а как наиболее перспективное направление ее развития.
Подводя итог изложенному выше, следует отметить, что глобальное развитие распределенной энергетики является следствием научно-технического прогресса, и его невозможно (и неразумно) пытаться затормозить. Помимо этого, надо отдавать себе отчет в том, что если воспринимать новые технологии как угрозу сложившейся стабильности, то в итоге мир в ближайшие десятилетия создаст целые новые технологические кластеры, связанные с управлением спросом на энергию, хранением энергии, а также ее генерацией на основе ВИЭ, а в основе российской экономики будет оставаться все менее востребованное ископаемое топливо и стремительно устаревающий гиперцентрализованный электроэнергетический сектор.
Распределенная энергетика должна рассматриваться не как угроза сложившейся энергетической системы России, а как наиболее перспективное направление ее развития
Татьяна Ланьшина
Научный сотрудник Центра экономического моделирования энергетики и экологии РАНХиГС, российский координатор глобальной инициативы «Распределенная и локальная энергетика» (DALE)
В настоящее время в мире складывается новое направление экономики – так называемая распределенная энергетика. Что это такое? В чем преимущества новой отрасли перед традиционной энергетикой? Что она даст России и ее населению, особенно в регионах?
1. Потребность реорганизации российской энергетики назрела. Если обратиться к истории, то в период индустриализации в нашей стране, как известно, создавались крупные промышленные предприятия. Основой энергообеспечения стали мощные электростанции. Для резервирования и повышения их надёжности была создана Единая энергетическая система (ЕЭС).
Сегодня индустриальное развитие сменилось постиндустриальным, "стройки века" и появление новых гигантских потребителей энергии завершились. Государство уходит из сферы хозяйственной деятельности, в том числе складывает с себя полномочия по энергоснабжению и организации жилищно-коммунального хозяйства. Реформирование электроэнергетики фактически закончено, реформа ЖКХ не за горами - появился ряд крупных частных компаний, занимающихся вопросами муниципальной энергетики. При этом переход в условиях рыночной экономики на самофинансирование при государственном регулировании тарифов резко ограничил возможности развития электроэнергетики. В связи с этим объёмы старения энергетического оборудования значительно превышают объёмы технического перевооружения, реконструкции и ввода новых энергетических мощностей.
Обостряется проблема обновления электрических и тепловых сетей, потери в которых растут. Всё большую остроту приобретает вопрос устранения диспропорций между размещением генерирующих мощностей, возможностями тепловых и электрических сетей и проблемами топливообеспечения электростанций.
Две трети территории России не имеют централизованного электроснабжения, а это означает, что обеспечить электроэнергией и теплом потребителей можно только с помощью малой энергетики . На этих территориях строительство крупных электростанций в одних случаях нецелесообразно, в других - неоправданно с экономической точки зрения, в-третьих, невозможно из-за отсутствия средств на прокладку дорогостоящих теплоцентралей и сооружение линий электропередачи.
Централизованное энергоснабжение целесообразно для крупных нагрузок и для нагрузок с высокой плотностью энергопотребления. В случае же низкой плотности нагрузки капитальные затраты на тепловые и электрические сети резко возрастают, значительно увеличиваются потери энергии. Потери электроэнергии в сетях растут с каждым годом и уже вышли за двузначный порог.
Сегодня энергетика России характеризуется чрезвычайно высоким уровнем износа: износ линий электропередачи в ЕЭС превышает 25%, подстанций - 45%. В области теплоснабжения 40% тепловых сетей требуют ремонта, 15% находятся в аварийном состоянии, тепловые потери в сетях превышают 16%; коэффициент полезного использования топлива на уровне конечного потребителя в системах централизованного теплоснабжения колеблется в пределах 30-50% .
С учётом того, что российские электростанции в среднем имеют КПД≈33% , длина тепловых сетей ограничена размерами города из-за высоких линейных потерь; для территорий же с невысокой плотностью энергопотребителей, например, в зонах малоэтажной застройки, особое значение приобретает реализация распределённой энергетики.
2. Распределенная энергетика: сущность и преимущества. С распределённой энергетикой знакомы многие жители России - к ней относят котельные мощностью менее 20 Гкал (23,8 Мвт тепловой мощности), а некоторые специалисты опускают этот порог до 5-7 Гкал. По электрической мощности порог определён на уровне 25 МВт. Однако система котельных, решающая задачу жизнеобеспечения граждан в городах России, не позволяет использовать сжигаемое топливо для получения дорогой электроэнергии, в которую при существующих условиях перерабатывается не более 30% теплосодержания топлива.
Многие из указанных проблем могут быть решены за счёт строительства малых электростанций и энергоустановок, расширения использования местных и возобновляемых энергоресурсов. Малая, точнее распределенная энергетика, особенно важна для энергообеспечения объектов нулевой и первой категории (они должны иметь несколько источников энергоснабжения), для энергообеспечения районов с низкой плотностью нагрузки, для автономного энергоснабжения удалённых объектов, для снабжения в чрезвычайные периоды, а также в отдалённых, труднодоступных и малоосвоенных районах. В этом случае возникает возможность решить текущие проблемы энергообеспечения без необходимости "переделки" дорогого сетевого хозяйства.
Мини-ТЭЦ, максимально приближенные к потребителям, сводят к минимуму потери энергии в процессе её передачи. К тому же КПД у лучших современных малых электростанций составляет более 80% . Современные мини-ТЭЦ в сравнении с крупными электростанциями - экологически более чистые, имеют меньшие вредные выбросы и шумы. Благодаря компактности такие энергоустановки не требуют больших помещений и поставляются в блочно-модульном исполнении. При этом надёжность современных мини-ТЭЦ достаточна высока.
В условиях невозможности концентрации крупных инвестиций для строительства крупных электростанций строительство малых оказывается более реальным и выгодным, так как позволяет существенно сократить объём первоначальных капиталовложений и срок их возврата, снизить инвестиционный риск, уменьшить сроки возведения и ввода станций в эксплуатацию.
3. Потребность в новой энергетике на Дальнем Востоке. Развитие распределённой энергетики особенно важно для Дальнего Востока. Экономический район Дальнего Востока и Забайкалья (ДВиЗ) находится в гораздо более сложной ситуации, чем остальные, а его развитие в ближайшие годы связано в первую очередь с освоением природных богатств, что требует именно распределённого энергообеспечения .
Депопуляция территорий является своего рода интегральным индикатором сложности и невысокого качества жизни в регионах ДВиЗ. В условиях низкой плотности населения и удалённости от Европейской части России продолжение этого процесса чревато потерей этих территорий и фактически является геополитической угрозой территориальной целостности России. В результате возникает уникальная для мировой экономики ситуация, когда огромное по стоимости имущество - большие территории с природными богатствами - приносит не прибыль, а убыток, требует средств на охрану, а освоение территорий затруднено из-за отсутствия транспортной и энергетической инфраструктур.
Ситуация усугубляется отсутствием достаточного количества собственных средств, высоким уровнем износа коммунальной энергетики, когда непринятие мер сегодня может сделать невыгодным восстановление хозяйства завтра, поскольку уровень износа достигнет точки, когда повреждения и аварии в системе нарастают быстрее скорости ремонта, а его стоимость становится выше стоимости самой системы. Времени на раздумье фактически просто нет.
Значимость же Дальнего Востока для России сомнений не вызывает - регион имеет мировое геополитическое значение, роль которого в ближайшее время будет только расти. Стратегическое значение региона в связи с активно происходящими в мире и особенно на сопредельных с ним территориях экономическими, демографическими и политическими процессами, многократно возрастает.
Дальний Восток и Забайкалье занимают выгодное экономико-географическое положение в России и АТР, соседствуя с такими странами как Китай, Япония, США, КНДР, Республика Корея, Монголия. Одновременно регион находится на кратчайших путях из стран Западной Европы в страны АТР. К портам Дальнего Востока имеют выходы широтные транспортные системы Транссибирской и Байкало-Амурской магистральных железных дорог, пересекающих Евразию, а вдоль дальневосточных берегов проходит Северный морской путь. Хотя Россия по экономическому и демографическому потенциалу сегодня уступает США, Европейскому союзу и Китаю, ее геополитические позиции в АТР остаются значимыми. Основанием для такой оценки является уникальное географическое положение страны, её мощная сырьевая база, огромные территории, имеющийся научно-технический и сохранившийся военный потенциал.
В связи с возрастающей ролью АТР в мировой экономике увеличивается значимость российского Дальнего Востока и Забайкалья как контактной зоны по обеспечению внешнеэкономического, культурного и других видов сотрудничества в регионе. Для такой зоны хорошо приспособлена распределённая энергетика, чья технологическая база крайне разнообразна: малые и мини-ГЭС, небольшие энергетические установки на базе газотурбинных и парогазовых технологий, а также геотермальные тепловые и электрические станции, ветровые и солнечные энергетические и теплонасосные установки.
4. Возможности распределенной энергетики. Для отдалённых и труднодоступных районов, особенно для условий Крайнего Севера, могут быть использованы малые АЭС, эффективность которых базируется на отсутствии потребности в обслуживании в течение десятков лет и ликвидации крайне высоких издержек северного завоза топлива.
Бóльшая, чем у крупных электростанций, стоимость установленной мощности распределённой энергетики, компенсируется за счёт следующих факторов:
Снижения затрат и стоимости при массовом выпуске изделий в степени, не меньшей, чем снижение удельных затрат при росте единичной мощности блоков;
. снижение структурных затрат за счет достройки ЛЭП различных напряжений, что приводит к стоимости киловатта потребляемой мощности в точке потребления до 4 тыс. долл. взамен 2 тыс. долл. с учётом резервирования и оснащения необходимой современной автоматикой;
. ростом надёжности энергоснабжения потребителей за счёт значительного числа установок и местного характера размещения источников энергии;
. возможностью использования местных видов топлива и отходов (большая энергетика такой возможности лишена: достаточно представить, с какой площади нужно собрать отходы деревообрабатывающего производства или каков объём перевозок низкокалорийных топлив для станции мощностью в несколько ГВт!).
Распределённая энергетика имеет значительно больший инновационный потенциал по сравнению с мощными электростанциями. Если "большая" энергетика имеет предел по эффективности генерации на уровне 56% на парогазовых установках (ПГУ), да ещё в точке потребления нужно вычесть немалые сетевые потери, то малая энергетика позволяет получать просто фантастические по эффективности результаты за счёт использования возобновляемых видов энергии, утилизации потерь и отходов, принося дополнительные средства за услуги по их утилизации. Например, использование котельной даёт потребителю полезной мощности 0,5-0,6 Гкал на содержащуюся в сожжённом топливе одну Гкал, а использование энергии этого же количества топлива для привода теплового насоса, черпающего энергию из природного энергоаккумулятора (озера или реки), позволит дать потребителю 2,5-3 Гкал в наших широтах. Иными словами, выигрыш в эффективности может быть 5-кратным !
5. Конфигурация распределенной энергетики. Распределённая энергетика позволяет создать новое поколение энергетической техники. Приведём краткие описания подсистем и устройств, обеспечивающих работу распределенных систем.
1. Создание адаптивной энергетической техники.
Встроенные датчики и автоматическое управление повышают эффективность и расширяют динамический диапазон, позволяют вести диагностику работоспособности в режиме реального времени, предсказывать отказы, реализовать нетрадиционные решения техники нового поколения, в частности - компрессоров и тепловых насосов.
2. Создание эффективных установок по переработке природного газа на основе поршневых химических реакторов сжатия.Такие установки позволяют нарабатывать синтетическое топливо в период низкого разбора газа, повышать коэффициент использования трубопроводных сетей и формировать запасы резервного топлива (вопрос с резервным топливом не решён даже в Московском регионе).
3. Создание однотопливных газодизелей с динамическим переключением на выработку синтетического моторного топлива.
Динамическое переключение режимов поршневых групп на выдачу механической мощности или выработку синтетического моторного топлива позволяет увеличить коэффициент загрузки распределённой энергетики, используемой в пиковой зоне графика потребления.
4. Создание гибридной установки энергопотребителя.
Таковая позволяет реализовать режим утилизации потерь энергопотребителя, получение энергии в любом виде и преобразование её к виду, необходимому для потребителя. Она также позволяет реализовать режим активного потребителя-регулятора и минимизировать издержки с учётом оптимизации выработки-закупки энергии.
5. Создание комплексного энергетического аккумулятора.
Комплексный энергетический аккумулятор имеет несколько входов и рабочих тел, использует в качестве рабочих процессов изменение внутренней энергии рабочих сред, фазовые переходы, а также обратимые химические превращения, реализуемые за счёт использования встроенной гибридной энергоустановки.
6. Реализация сезонных и суточных энергоаккумуляторов.
В условиях резко континентального климата позволяет использовать температурные пики (как суточные, так и сезонные) для аккумулирования низкопотенциального тепла. Могут использоваться упрощённые или модернизированные модели комплексного энергоаккумулятора, позволяющие подключить возобновляемые нестабильные источники энергии. В результате можно создавать системы со сниженным потреблением тепла или даже бестопливные энергетические системы.
7. Формирование энергологистических систем.
В таких системах оптимизация энергетических потоков разных видов проводится совместно. Также имеется возможность преобразования вида энергии и перевода её в другую энергетическую подсистему. При этом гибридная энергоустановка потребителя позволяет провести преобразование её к виду, предпочтительному для потребителя, по месту потребления, независимо от вида поставляемой энергии. Совместный учёт работы систем позволяет провести оптимизацию и сэкономить 5-7% от общего расхода энергии и ТЭР. Другая возможность повышения эффективности и надёжности систем в энергологистической системе связана с возможностью переброса энергии при авариях или перегрузке участка сети через соединяющие эти системы энергетические установки, которые являются кросс-элементами этих систем с соответствующими характеристиками "стоков" или "истоков" и потерь.
Сегодня фактически уже складывается новое направление экономического анализа в энергетике - комплексного анализа ранее абсолютно независимо рассматриваемых систем.
8. Формирование автоматизированных самовосстанавливающихся и самонастраивающихся энергосистем.
Самонастраивающаяся система электроснабжения позволяет провести диагностику систем или их блоков (генерации, сетей или потребителей), предсказать отказ, выбрать (рассчитать) наиболее оптимальную конфигурацию рабочей части системы и произвести переключения на новую оптимальную схему электроснабжения в соответствии с локализацией (отключением) неисправной части системы. Для диагностики нужны скоростные фазочувствительные цифровые датчики, а также средства связи, работающие в режиме реального времени. Система управления для реализации эффективной работы должна быть распределённой. Координация деятельности распределённых центров управления осуществляется централизованной системой управления.
С учётом энергологистических подходов на основе самовосстанавливающейся системы может быть реализована самонастраивающаяся система, учитывающая текущую стоимость энергии и энергоносителей разных видов.
9. Создание автоматизированного розничного рынка, сочетающегося с автоматизированным оптовым рынком энергии.
Формирование самонастраивающейся системы позволяет проводить оптимизацию потребления, производства и покупки энергии на оптовых рынках в режиме текущего времени. В случае задания графика по времени автоматизированного потребителя розничный рынок автоматически производит перераспределение мощности, вырабатываемой гибридными установками потребителя соответствующего вида энергии, оптимизирует пути поставки, а также приобретение энергии на оптовом рынке. Процесс полностью сочетается с проводящейся автоматизацией электрических станций "большой" энергетики.
10. Создание системы нештатного энергообеспечения объектов за счёт использования энергетических установок транспорта.
При освоении малонаселённых территорий и использовании малоэтажного строительства эффективные транспортные газодизели, используемые совместно с аккумулирующими гибридными установками, позволяют снизить суммарную потребность в мощностях. Двигатели транспорта повышенной проходимости или грузового транспорта используются для выработки энергии и синтетического топлива в нерабочие часы. В их отсутствие поддерживает энергоснабжение маломощная гибридная энергоустановка. Высокоэффективные транспортные энергоустановки могут использоваться для энергообеспечения и в случаях отказов и аварий штатных энергоустановок.
6. Что надо сделать? Однако рассмотренные выше технологические решения, схемные и режимные решения требуют грамотной адаптации к местным условиям. Низкий инвестиционный порог реализации распределённой энергетики может быть снижен еще больше - за счёт использования библиотеки инвестиционных проектов, т.е. "Библиотеки технических решений". Инвестиционные проекты "БТР" включают технико-экономические обоснования проектов и методики их адаптации к местным условиям, а оплата услуг по разработке проектов и консультациям производится из части прибыли, полученной от реализации проекта энергоснабжения с использованием распределённой энергетики.
Развитие распределенной энергетики полностью вписывается в поставленные на современном этапе цели развития страны - переход на инновационный путь развития и повышение качества жизни населения.
Безусловно, внедрение распределённой энергетики требует разработки соответствующих механизмов:
.финансово-экономических
- грамотных инвестиционных решений, создания низкозатратной двухставочной тарифной системы, учитывающей потенциал используемого тепла, соответствующей налоговой политики, обеспечивающей преференции инновационным решениям;
.нормативно-правовых
, начиная с принятия федеральных законов "О малой энергетике", "О теплоснабжении", кончая местными техническими условиями по использованию установок на местных видах топлива и др.;
.организационно-структурных
- сочетания малых и крупных энергетических предприятий, координации их деятельности в рамках саморегулируемых организаций, территориальных и отраслевых ассоциаций, вовлечения в развитие высокоэффективной коммунальной энергетики собственников жилья - граждан, за счёт формирования городской потребительской кооперации и др.
Следует отметить, что в современных условиях можно говорить уже и о формировании инновационно-технологического механизма экономического развития, а также о важнейшей роли социально-политических аспектов достижения поставленных целей.
Разумеется, предстоит большая работа, но социально-экономические последствия её реализации крайне значимы. Однако любая работа окупится, ибо сегодня распределённая энергетика:
Снимает высокий финансовый порог переоснащения региональной (муниципальной) энергетики;
. создаёт сферу развития малого и среднего бизнеса, без которых заведомо снижается эффективность экономики за счёт неосвоенных ниш, не интересных для крупного бизнеса;
. гарантирует востребованные на внутреннем рынке заказы для наших оборонных предприятий, загруженных сегодня лишь на 10%;
. позволяет реализовать энергетическую систему, устойчивую к внешним возмущениям - её невозможно вывести из строя, как ЛЭП в Белграде (за счёт распыления проводящих агентов или уничтожения одной опоры);
. является площадкой для опробования и внедрения инновационных решений (попробуйте-ка внести изменение в оборудование и компоновку большой станции, да ещё требующей отвода кусочка земель - сбор трёх с половиной сотен подписей займет года три);
. имеет очень высокий потенциал эффективности за счёт возможности вовлечения в оборот нестабильных возобновляемых источников энергии;
. принципиально меняет соотношение стоимости энергообеспечения в больших и малых городах, в связи с чем должен измениться вектор миграции, должна прекратиться депопуляция малых городов;
. ключ к освоению территории и природных ресурсов страны, которые потенциально стóят 350 трлн. долл. при том, что их фактическая рыночная цена близка к нулю из-за отсутствия инфраструктуры доступа;
. средство капитализации интеллектуального потенциала всего населения - от местных кулибиных и черепановых до нобелевских лауреатов;
. плацдарм для продвижения отечественных инновационных решений на мировые рынки в освоенной и признанной миром сфере хозяйственной деятельности России.
Такие возможности нельзя упускать!
К сожалению, Министерство энергетики РФ пока не видит острой необходимости в поддержке становления новой инновационной отрасли на стыке традиционной энергетики, электроники и машиностроения. Однако, может быть, за такую задачу возьмутся непосредственно Правительство России и государственные корпорации?
- 1. Распределенная генерация
- 1.1 Предпосылки и тенденции
- 1.2 Технологии
- 1.3 Микротурбины
- 1.4 Топливные элементы
- 1.5 Возобновляемые источники
- Заключение
Введение
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
Распределённое производство энергии - концепция строительства источников энергии и распределительных сетей, которая подразумевает наличие множества потребителей, производящих тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, а также направляющих излишки в общую сеть (электрическую или тепловую).
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.
С начала XX века технологии традиционных паротурбинных агрегатов тепловых и атомных электростанций развивались по пути использования все более высоких параметров пара, это требовало применения более совершенных материалов котлов и турбин, при этом имела место тенденция увеличения единичной мощности установок. Все отмеченное позволяло улучшать технико-экономические параметры установок - удельные капиталовложения и постоянные текущие издержки на единицу мощности и удельные расходы топлива на единицу вырабатываемой электроэнергии. Указанная тенденция укрупнения агрегатов наблюдалась и в гидроэнергетике, хотя и в меньшей мере.
В 1980-е годы эта тенденция принципиально изменилась вследствие появления высокоэффективных (до 55-60 % КПД) газотурбинных и парогазовых установок (ГТУ и ПГУ) широкого диапазона мощностей, в том числе малых - от единиц до одного-двух десятков МВт. Отличительной особенностью таких установок, особенно малых, является их высокая заводская готовность, что позволяет вводить их в эксплуатацию за период в пределах года. Одновременно появился большой ассортимент мини - и микро - ГТУ (от долей кВт до нескольких десятков кВт). На основе малых ГТУ начали сооружаться малые ГТУ-ТЭЦ для комбинированной выработки электроэнергии и тепла.
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.
Требования к энергоснабжению формулируются просто - надёжность, постоянство. И для многих становится ясно, что на сегодня единственный путь иметь продукт высшего качества - произвести его самому. Военные во всём мире знают это давно, промышленники уже пришли к таким решениям, а семьи и предприятия малого бизнеса начали осознавать преимущества владения электрогенераторами и тепловыми котлами только сейчас. Кризис сложившейся монополизированной энергетической инфраструктуры и начавшаяся либерализация энергетических рынков одновременно и увеличивают степень неопределённости будущего, и привлекают открывающимися возможностями для бизнеса. И тот и другой фактор увеличивают спрос потребителей энергии на собственные генерирующие мощности.
Разбросанное по подвалам и задним дворам энергетическое оборудование, установленное владельцами на случай аварий в централизованных сетях, или в условиях отсутствия этих сетей, начинает восприниматься в мире как формирующаяся целостность - основа для возникновения новой отрасли, получившей название распределённой генерации (РГ). К процессам в этой отрасли привлечено внимание владельцев оборудования, существующих "старых" энергокомпаний, новых игроков, производителей оборудования, не говоря уже о государственных органах.
1.2 Технологии
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.
1.3 Микротурбины
Микротурбины были разработаны ещё в 60-х для электроснабжения на борту авиалайнеров. КПД таких устройств находится в районе 25-30%. При утилизации тепла КПД достигает 60--70%. Микротурбины могут работать на широком спектре топлива - природный газ, метан, бензин, керосин. Содержание сажи в выхлопе современных моделей в 100 раз меньше чем у дизельного двигателя, и укладывается даже в строгие калифорнийские стандарты охраны окружающей среды.
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.
Принцип действия
Воздух из атмосферы через воздухозаборник поступает в компрессор, где происходит его сжатие и нагрев, после чего он поступает в рекуператор, где происходит его дальнейший нагрев посредством отходящих выхлопных газов турбины. Такая агрегатная компоновка внутри установки повышает электрический КПД установки до 30%. При такой агрегатной компоновке соотношение получаемой на установке тепловой энергии к электрической равно 1,6 - 2/1. В отдельных случаях, когда заказчику необходимо большее количество именно тепловой энергии, а получаемая электрическая энергия второстепенна, возможна комплектация установки иная, без рекуператора. В этом случае электрической энергии вырабатывается порядка 14-20%. Из рекуператора нагретый и сжатый в компрессоре воздух смешиваясь с газом поступает в камеру сгорания. Предварительное смешение нагретого воздуха с газом очень сильно снижает уровень выбросов, доводя его до минимальных значений (около 15 ppm), особенно при неполной загрузке установки. Образующиеся в процессе сгорания выхлопные газы поступают на колесо турбины, где расширяясь, совершают работу, приводя тем самым в движение расположенные на одном валу с турбиной, компрессор и генератор. Из турбины выхлопные газы поступают в рекуператор, где нагревают выходящий из компрессора воздух, после чего направляются в котел-утилизатор, где нагревают сетевую воду до требуемых значений.
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
· Низкий объем технического обслуживания и большой интервал меж сервисного обслуживания (замена масла не чаще 1-го раза в год при 100% -й круглогодичной работе).
· 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.
1.4 Топливные элементы
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.
Всего сейчас разрабатывается не менее дюжины различных типов элементов с КПД от 40% до 60%. Одни из самых перспективных - технологии с протонообменной мембраной, углеродные и на твёрдых оксидах. При утилизации тепла или при использовании газовой турбины в сочетании с топливным элементом в комбинированном цикле возможно и достижение сверхвысокого КПД в 80%.
Принцип действия
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.
Преимущества
Топливные элементы обладают рядом ценных качеств, среди которых:
1. Высокий КПД
§ 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,
2. Экологичность
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
Весь спектр установок, извлекающих электричество из возобновляемых источников, рассматривается как потенциальный вклад в инфраструктуру распределённой генерации. Ветер, солнце, приливы, геотермальные установки, микро-гидротурбины - любая технология, способная хотя бы частично обеспечить потребности здания или квартиры, может быть использована и в широкомасштабных проектах.
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 технологиях возобновляемой энергетики реализуются новейшие достижения многих научных направлений и отраслей: метеорологии, аэродинамики, электроэнергетики, теплоэнергетики, генераторо - и турбостроения, микроэлектроники, силовой электроники, нанотехнологий, материаловедения и т.д. Развитие наукоемких технологий позволяет создавать дополнительные рабочие места за счет сохранения и расширения научной, производственной и эксплуатационной инфраструктуры энергетики, а также экспорта наукоемкого оборудования.
1. Применения
Распределённая генерация оказывается исключительно удобной во множестве случаев. При разработке нефтяных месторождений приходится сжигать огромное количество попутного газа - в регионах добычи нет возможностей ни для транспортировки, ни для переработки. При разработке полезных ископаемых приходится решать проблему шахтных газов. Использование микротурбин позволит и извлечь экономическую выгоду, и сберечь окружающую среду. Там, где нет централизованных сетей, электроэнергия и тепло могут быть использованы на самих месторождениях. А если нефть добывается по соседству с экономически развитым регионом, или есть сети, соединяющие район месторождений с населёнными районами - нефтяные скважины могут в совокупности стать огромной электростанцией. Попутный газ может превратить нефтяные поля Техаса в 400 МВт электростанцию.
Другая область применения - малонаселённые районы севера Европы или Америки, равно как и густонаселённые беднейшие районы Африки и Азии, где нет сетей. По оценкам Всемирного экономического совета, дотянуть линии электропередач хотя бы до одной трети из живущих без электричества людей будет стоить 10 000 долларов за километр. Стоит сравнить эту цифру с приведённой выше стоимостью генератора, способного снабдить током небольшую деревню.
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.
С развитием реформ возникает и самое привлекательное использование распределённых генераторов - превратить миллионы частных домов, офисных зданий и предприятий в производителей и продавцов электроэнергии.
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.
Природоохранные ограничения, стоимость земли и воды, государственное регулирование - есть тысячи препятствий для энергокомпании, решившей построить новую мощную электростанцию. Гораздо привлекательнее объединить под единым управлением сотни, а то и тысячи микрогенераторов, расположенных в жилом секторе, в больницах, в маленьких мастерских или в небольших офисах.
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:
· в "островном" (автономном) режиме - без присоединения к сетям
· 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.
Нагрузка может изменяться от 0 до 100%, при этом оборудование генерирует электрическую энергию, обеспечивая постоянный уровень напряжения независимо от нагрузки (0,4; 6,3; 10,5 кВ). В этом режиме выходное напряжение - главный параметр, который поддерживается автоматикой генерирующего оборудования.
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".
На основании показаний измерительного контроллера система определяет значение мощности, потребляемой от сети на вводе. При изменении локальной нагрузки это значение меняется: при росте локальной нагрузки - увеличивается, при её уменьшении - падает, при дальнейшем уменьшении нагрузки начинается передача мощности в сеть. Программно-аппаратный комплекс при любом уровне локальной нагрузки предотвращает такую передачу:
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.
Уровень минимальной потребляемой мощности от сети - настраиваемая величина, зависит от графиков изменения локальной нагрузки.
Рисунок 5. Распределение мощности генерирующих установок при различных соотношениях мощности нагрузки и генерации
Таким образом, реализация режима "следования за нагрузкой" для работы энергоблока позволяет выполнить одно из основных технических требований энергоснабжающих организаций - исключить передачу электрической мощности в сети и одновременно использовать преимущества работы оборудования параллельно с существующими сетями электроснабжения. При использовании такого режима потребление электроэнергии из сетей резко сокращается (при стабильной нагрузке - практически до 0), что при высоких тарифах дает существенную экономию средств.
Заключение
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.
Мировые тенденции органичного сочетания централизованной и распределенной генерации характерны и для России. Более половины территории России не электрифицировано вообще, и здесь распределенная генерация как нельзя кстати. Климатические и географические особенности порождают более высокую, чем в других странах, потребность в электроэнергии и тепле. Огромные расстояния в совокупности низкой плотностью населения делают централизованное энерго - и теплоснабжение очень дорогим. А доступность энергоресурсов, дополненная прочими достоинствами распределенной генерации, делают ее весьма привлекательной.
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.
2. Безруких П.П. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии // Энергетическая бе-зопасность и малая энергетика. XXI век. Сб. докл. Всерос. н. - т. конф. Санкт-Петербург, 3-5 декабря 2002 г., с.30-45.
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.
4. http://raoreform. elektra.ru
5. http://www.electrosystems.ru/
6. http://www.rushydro.ru/industry/biblioteka/14289.html
7. http://zodiak-energo.ru/articles/article/109/
8. http://ru. wikipedia.org
Подобные документы
Современные методы генерации и использование электричества из энергии ветра. Экономические и экологические аспекты ветроэнергетики, перспективы развития в РФ. Моделирование систем электроснабжения на базе дизель-генератора и ветроэлектрической установки.
дипломная работа , добавлен 29.07.2012
Виды нетрадиционных возобновляемых источников энергии, технологии их освоения. Возобновляемые источники энергии в России до 2010 г. Роль нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в реформировании электроэнергетического комплекса Свердловской обл.
реферат , добавлен 27.02.2010
Проблемы развития и существования энергетики. Типы альтернативных источников энергии и их развитие. Источники и способы использования геотермальной энергии. Принцип работы геотермальной электростанции. Общая принципиальная схема ГеоЭС и ее компоненты.
курсовая работа , добавлен 06.05.2016
История использования энергии ветра. Современные методы генерации электроэнергии, конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения. Мировые мощности ветряной энергетики, проблемы, экологические аспекты и перспективы развития.
реферат , добавлен 21.11.2010
Распространение солнечной энергии на Земле. Способы получения электричества из солнечного излучения. Освещение зданий с помощью световых колодцев. Получение энергии с помощью ветрогенераторов. Виды геотермальных источников энергии и способы ее получения.
презентация , добавлен 18.12.2013
Классификация возобновляемых источников энергии. Современное состояние и перспективы дальнейшего развития гидро-, гелео- и ветроэнергетики, использование энергии биомассы. Солнечная энергетика в мире и в России. Развитие биоэнергетики в мире и в РФ.
курсовая работа , добавлен 19.03.2013
Характеристика возобновляемых источников энергии: основные аспекты использования; преимущества и недостатки в сравнении с традиционными; перспективы использования в России. Способы получения электричества и тепла из энергии солнца, ветра, земли, биомассы.
курсовая работа , добавлен 30.07.2012
Использование возобновляемых источников энергии, их потенциал, виды. Применение геотермальных ресурсов; создание солнечных батарей; биотопливо. Энергия Мирового океана: волны, приливы и отливы. Экономическая эффективность использования энергии ветра.
реферат , добавлен 18.10.2013
Описания ветроэнергетики, специализирующейся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в любую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Изучение современных методов генерации электроэнергии из энергии ветра.
презентация , добавлен 18.12.2011
Возрастание интереса к проблеме использования солнечной энергии. Разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Современная концепция использования солнечной энергии. Использование океанской энергии. Принцип действия всех ветродвигателей.
Международная научно- практическая конференция « Малая энергетика-2005»
Воропай Н.И. (Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, Иркутск, Россия)
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 .
С начала XX века технологии традиционных паротурбинных агрегатов тепловых и атомных электростанций развивались по пути использования все более высоких параметров пара, это требовало применения более совершенных материалов котлов и турбин, при этом имела место тенденция увеличения единичной мощности установок. Все отмеченное позволяло улучшать технико-экономические параметры установок - удельные капиталовложения и постоянные текущие издержки на единицу мощности и удельные расходы топлива на единицу вырабатываемой электроэнергии. Указанная тенденция укрупнения агрегатов наблюдалась и в гидроэнергетике, хотя и в меньшей мере.
В 1980-е годы эта тенденция принципиально изменилась вследствие появления высокоэффективных (до 55-60 % КПД) газотурбинных и парогазовых установок (ГТУ и ПГУ) широкого диапазона мощностей, в том числе малых - от единиц до одного-двух десятков МВт. Отличительной особенностью таких установок, особенно малых, является их высокая заводская готовность, что позволяет вводить их в эксплуатацию за период в пределах года . Одновременно появился большой ассортимент мини- и микро- ГТУ (от долей кВт до нескольких десятков кВт). На основе малых ГТУ начали сооружаться малые ГТУ-ТЭЦ для комбинированной выработки электроэнергии и тепла.
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.
Масштабы развития.
Развитие малых ГТУ-ТЭЦ происходит достаточно интенсивно. В частности, в странах ЕС прогнозируется рост суммарной мощности ГТУ-ТЭЦ (прежде всего небольшой мощности) с 74 ГВт в 2000 г. до 91-135 ГВт в 2010 г. и 124-195 ГВт в 2020 г. (в зависимости от энергетической политики ЕС), что составляет 12% от суммарной генерирующей мощности стран ЕС в 2000 г., 13-18% - в 2010 г., 15-22% - в 2020 г. .
В российских условиях уже в настоящее время малые ГТУ-ТЭЦ оказываются эффективными. Расширение сферы газификации на средние и малые города и поселки городского типа, создание рынка высокоэкономичных, с коротким сроком сооружения, быстроремонтируемых установок малых ГТУ-ТЭЦ обеспечивают их активное вовлечение в структуру генерирующих мощностей регионов страны. Так, в Астраханской области при нынешнем уровне генерации в 1060 МВт из 550 МВт электрической мощности, планируемой к вводу до 2020 г., 65,5 МВт должны составить малые ГТУ-ТЭЦ, а в более удаленной перспективе их потенциал может достигнуть 185-200 МВт. В Томской области при существующем уровне генерации в 1804 МВт к 2020 г. предполагается ввести 246 МВт, в том числе 130 МВт (53%) за счет малых ГТУ-ТЭЦ. При этом используется отечественное оборудование .
Оценки показывают, что в перспективе потенциальные возможности сооружения малых ГТУ-ТЭЦ вместо неэкономичных устаревших котельных в городах и поселках могут составить суммарную электрическую мощность в 100 ГВт, количеством 12900 штук, средней единичной мощностью 7-8 МВт, а в максимальном варианте -соответственно 175 ГВт, 84000 штук, средней единичной мощностью 2-3 МВт . Реалистичные прогнозы дают в целом по стране 25-35 ГВт к 2020 г. и 35-50 ГВт к 2050 г. малых ГТУ-ТЭЦ, т.е. до 10-15% от суммарной установленной мощности генерации .
В последние годы использование ВИЭ для производства электроэнергии получило во многих странах значительное развитие. Западно-европейские страны планируют увеличить производство электроэнергии на базе ВИЭ к 2010 г. в среднем более, чем на
10 %, особенно за счет использования энергии ветра (рис. 1) . В настоящее время суммарная установленная мощность работающих в мире ВЭУ составляет более 31 ГВт , наибольшая по мощности единичная ВЭУ - 4,5 МВт - введена в Германии . Основные вводы ВЭУ приходятся на европейские страны - Германию, Данию, Великобританию, Нидерланды, Испанию, Швецию, Италию. Потенциал ветроэнергии имеется и в России .
Следует отметить, что в 2000 г. в России работали 12 ВЭУ (суммарная мощность 7,2 МВт), 2 геотермальные установки (23 МВт), 59 малых ГЭС в диапазоне мощностей 0,5-30 МВт (513 МВт), около 100 мини-ГЭС мощностью менее 0,5 МВт (40 МВт), 11 установок на биомассе (523 МВт). Все это составляет всего 0,5 % установленной мощности электростанций России. Согласно энергетической стратегии России на период до 2020 года потенциал возобновляемых энергоресурсов в стране достаточно велик (табл. 1), однако при этом установленная мощность ВИЭ прогнозируется лишь в следующих объемах: ВЭУ - 1-1,2 ГВт; малые и мини-ГЭС - 2,5-3 ГВт, геотермальные установки - 0,25-0,3 ГВт, что составляет весьма незначительную долю от суммарной генерации на этот период.
Между тем, в мире накоплен достаточно богатый опыт экономического стимулирования ВИЭ . Основными формами такой поддержки являются:
субсидии и кредиты по низким процентным ставкам; гарантии по банковским ссудам;
установление фиксированных закупочных цен на энергию, вырабатываемую на основе ВИЭ;
освобождение от уплаты налога на часть прибыли, инвестированной в нетрадиционную энергетику; - предоставление режима ускоренной амортизации; финансирование НИОКР в области нетрадиционной энергетики.
Опосредованно стимулирующее воздействие на использование ВИЭ оказывают такие инструменты экологической политики как плата за загрязнение окружающей среды, за выброс парниковых газов, другие "зеленые" налоги.
Возобновляемые источники энергии наиболее широко используются в странах с активным экологическим регулированием, которое включает систему законодательных, административных и экономических инструментов. Эти инструменты применяются на государственном и муниципальном уровнях для стимулирования сокращения выбросов (не только энергетическими установками). Такой подход типичен для стран Скандинавии, Дании, Австрии, Нидерландов, Германии, США.
Специфические подходы к экологической политике у развивающихся стран (Китай, Индия и др.), которые сочетают прямое административное регулирование и косвенные экономические стимулы. Тем не менее, экономическое стимулирование инвестиций в ВИЭ и в этих странах становится все более важным.
Стимулирующая политика в отношении ВИЭ начинает разрабатываться и в России. Так, группа американских и российских компаний разработала пилотный проект промышленной ветроэлектростанции мощностью 75 МВт, которая войдет в ЭЭС Санкт-Петербурга и Ленинградской области. ВЭС будет состоять из 50 ветроустановок мощностью по 1,5 МВт каждая производства компании GE Wind Energy . Завершена разработка ТЭО, строительство станции начнется во 2-м полугодии 2005 г.
Строительство ВЭС поддерживает правительство Ленинградской области, которое готово предоставить участникам проекта налоговые льготы, в том числе на недвижимость и прибыль. Кроме этого, были внесены поправки в проект регионального закона "О поддержке использования нетрадиционных возобновляемых энергетических ресурсов в Ленинградской области", а также предусмотрены налоговые льготы для промышленных потребителей электроэнергии, вырабатываемой с помощью ветра (и иных возобновляемых источников), которые способны покрыть разницу между тарифами на электроэнергию из традиционных и нетрадиционных источников. Реализация проекта позволит также разработать нормативные документы и методики проектирования аналогичных ВЭС и создать механизм гарантированного возврата заемного капитала, привлекаемого для финансирования сооружения ВЭС.
Электроэнергетические системы будущего символически можно представить как на рис.2, где 1 - промышленные потребители, 2 - социально-бытовые потребители, 3 -традиционные крупные электростанции, 4 - малые ГТУ-ТЭЦ, 5 - мини- и микро-ГЭС, 6 - ВЭУ, 7 - солнечные электростанции, 8 - топливные элементы, 9 - поршневые двигатель-генераторы, 10 - накопители энергии, 11 - биогаз. Как видно из этого рисунка, ЭЭС будущего должны сочетать крупные источники электроэнергии, без которых проблематично электроснабжение крупных потребителей и обеспечение целесообразных темпов роста электропотребления, а также распределенную генерацию. Крупные электростанции имеют трансформацию на напряжения 110 кВ и выше и выход в основную сеть высших напряжений, осуществляющую транспорт электроэнергии до крупных центров потребления.
В то же время, как следует из вышеизложенного, должны получить существенное развитие установки распределенной генерации, в том числе на ВИЭ, которые устанавливаются в распределительной сети 6-35 кВ. Третий уровень составят мини- и микро-установки (мини- и микро-ГЭС, ВЭУ, солнечные электростанции, топливные элементы и т.п.), которые подключаются на напряжение 0,4 кВ и устанавливаются у небольших потребителей, например, в отдельных домах или даже в квартирах.
Технические особенности и проблемы.
Подобная трансформация ЭЭС будущего придает им положительные качества, однако создает и определенные проблемы. Основные изменения в ЭЭС в связи с появлением распределенной генерации сводятся к следующим:
- Развитие распределенной генерации разгружает как основную, так и распределительную сеть, что способствует снижению потерь электрической энергии повышению надежности и устойчивости ЭЭС и вносит дополнительные возможности в реализацию рынков электроэнергии,освобождая пропускные способности связей .
- В то же время, распределенная генерация - это новые элементы ЭЭС, во многом с новыми динамическими характеристиками и возможностями управления. Так, ВЭУ имеют переменный режим работы, который при больших суммарных мощностях ВЭУ может создавать проблемы при управлении режимами ЭЭС, регулировании частоты, требуется резервирование по мощности до 50% от мощности ВЭУ и др. . При очень сильном ветре ВЭУ останавливаются, что при больших их суммарных мощностях может оказаться экстраординарным возмущением в ЭЭС, могущим привести к нарушению устойчивости системы и каскадному развитию аварии . Малые ГТУ имеют уменьшенную, по сравнению с традиционными агрегатами тепловых и гидравлических электростанций, постоянную инерции, отличные от больших агрегатов характеристики систем регулирования . К настоящему времени имеются некоторые исследования влияния распределенной генерации на свойства ЭЭС в установившихся и переходных режимах, однако эта проблема находится еще в начальной стадии изучения и более-менее уверенные выводы и рекомендации делать пока преждевременно.
- Неоднозначно и влияние распределенной генерации на качество электроэнергии по уровням напряжений. С одной стороны, наличие распределенной генерации в распределительной сети позволяет более стабильно поддерживать уровни напряжений в узлах за счет возможностей этих генераторов по генерированию реактивной мощности, в отличие от традиционных распределительных сетей, в которых потери напряжения тем больше, чем дальше от питающей подстанции высокого напряжения. С другой стороны, обнаружены явления, получившие название фликкера в англоязычной литературе и связанные с быстрыми колебаниями напряжения. Характерно, что фликкер развивается при резком снижении напряжения в узле присоединения малого генератора, особенно если генератор асинхронный .
- Неоднозначно также влияние распределенной генерации на генерацию высших гармоник в системе. С одной стороны, наличие распределенных генераторов снижает их уровень. Но, с другой стороны, многие малые установки, например, ВЭУ, высокочастотные ГТУ, подключаются к распределительной сети через преобразователи переменного тока в постоянный и обратно, которые генерируют в сеть высшие гармоники .
- Подключение источников распределенной генерации к распределительной сети увеличивает токи короткого замыкания, что может потребовать замены коммутационных аппаратов, изменения настроек защит и др. .
- Появление распределенной генерации усложняет диспетчерское управление ЭЭС, смещая его функции на распределительную сеть. Проблема при этом заключается в высокой неопределенности режимов работы распределенной генерации вследствие неравномерности загрузки агрегатов, отсутствия текущей информации об их работе и др. В последнее время появился ряд разработок, в которых предпринимаются попытки решения этой проблемы на основе распределенной системы диспетчерского управления с использованием Интернет-технологий . В связи с этим появилось понятие "виртуальная электростанция", которая условно объединяет распределенную генерацию посредством распределенной Интернет-системы управления.
- Распределенная генерация усложняет также систему релейной защиты и автоматики, противоаварийного управления ЭЭС . Распределительная сеть с появлением в ней установок распределенной генерации приобретает черты основной сети, т.е. в ней возникают проблемы устойчивости и др., что требует разработки устройств автоматики, аналогичных основной сети. При потере электроснабжения от питающей подстанции основной сети имеется возможность выделить установку распределенной генерации на близкую по мощности нагрузку, что обеспечит электроснабжение ответственных потребителей. Эта проблема в англоязычной литературе получила название "Islanding", она достаточно активно изучается и имеет ряд составляющих, в частности: определение состава потребителей, подключаемых к малому генератору при выделении; разработка принципов и конкретных устройств соответствующей автоматики; учет конкретных условий работы распределенных генераторов и др.
- Следует отметить и такой негативный фактор ВЭУ, как генерирование инфразвука при вращении лопастей. Эта проблема во многом решается за счет специальной конструкции лопастей .
- Все перечисленные особенности распределенной генерации требуют тщательного изучения свойств и характеристик различных установок, разработки их математических моделей работы в различных режимах. Требуется разработка новых методов анализа режимов работы систем электроснабжения, включающих распределенную генерацию, их надежности, устойчивости и т.п. Необходима также разработка математических моделей и методов планирования развития систем электроснабжения и ЭЭС с учетом распределенной генерации .
Заключение
1. 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 необходимостью адаптации потребителей и развития ЭЭС к рыночной неопределенности, появлением новых высокоэффективных энергетических технологий, ростом доли высококачественных видов топлива, ужесточением экологических требований, стимулирующем использованием ВИЭ при протекционистской политике государств.
2. Мировые тенденции органичного сочетания централизованной и распределенной генерации характерны и для России. При этом, если экономические условия ля развития малых ГТУ-ТЭЦ достаточно приемлемы и в настоящее время, то для развития распределенной генерации на ВИЭ пока не созданы необходимые экономические, законодательные и организационные условия. Для России создание таких условий является одной из важнейших задач.
3. 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.
Литература
1. Комплексные проблемы развития энергетики СССР / Л.С.Беляев, Ю.Д.Кононов, А.А. Кошелев и др.; Отв. ред. А.А.Макаров и А.А.Папин. Новосибирск: Наука, 1988, 288 с.
2. 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. Малая энергетика в рыночной среде: анализ требований и условий развития// ТЭК, 2003, № 2, с. 97-98.
4. Усачев И.Н., Историк Б.Л., Школянский Ю.Б., Лунаци М.А. Малая и нетрадиционная энергетика России // Новости электротехники, 2003, № 3, с. 54-57; № 4, с. 77-79.
5. Фаворский О.Н., Леонтьев А.И., Федоров В.А., Мильман О.О. Эффективные технологии производства электрической и тепловой энергии с использованием органического топлива // Теплоэнергетика, 2003, № 9, с. 19-21.
6. Bayegan M.A. Vision of the Future Grid // IEEE Power Engineering Review, 2001, Vol.21, №12, p. 10-12.
7. Безруких П.П. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии // Энергетическая бе-зопасность и малая энергетика. XXI век. Сб. докл. Всерос. н.-т. конф. Санкт-Петербург, 3-5 декабря 2002 г., с. 30-45.
8. Ackermann Th., Andersson G., Soder L. Distributed Generation: A Definition // Electric Power System Rescarch, 2001, Vol.57, № 4, p. 135-204.
9. Dugan R.C., McDermont Th.E. Distributed Generation // IEEE Industry Application Magazine, 2002, Vol.33, № 2, p. 19-25.
10. Development of dispersed generation and consequences for power systems / CIGRE Working Group C6/01 // Electra, 2004, № 215, p. 39-49.
11. The European Cogeneration Study. EU-Project "Future COGEN", № 4. 10301/P/99- 169/Final Publishable Report, Brussels, 2001, 88 p.
12. Карасевич А.М., Сеннова Е.В., Федяев А.В., Федяева О.Н. Эффективность развития малых ТЭЦ на базе газотурбинных и дизельных энергоустановок при газификации регионов // Теплоэнергетика, 2000, № 12, с.35-39.
13. Беляев Л.С., Воропай Н.И., Кощеев Л.А. и др. Долгосрочные тенденции развития электроэнергетики мира и России //Изв. РАН. Энергетика, 2004, № 1, с. 3-13.
14. Fairley P. Steady as the Blows // IEEE Spectrum, 2003, № 8, p. 35-39.
15. Slootweg J.G., Kling W.L. Is the Answer Blowing in the Wind. // IEEE Power and Energy Magazine, 2003, Vol. 1, № 6, p. 26-33/
16. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года / Приложение к общ.-дел. журналу "Энергетическая политика". М.:ГУ ИЭС, 2003, 136 с.
17. Клавдиенко В.П. Экономические стимулы использования возобновляемых источников энергии // Энергия: экономика, техника, экология, 2004, № 6, с. 14-19.
18. Запад финансирует российскую ветроэнергетику // Мировая энергетика, 2005, № 3, с.92.
19. Еремин Л.М. О роли локальных генерирующих источников небольшой мощности на рынке электроэнергии // Энергетик, 2003. № 3, с.22-25.
20. Chiradeja P., Ramakumar R. An Approach to Quantify the Technical Benefits of Distributed Generation // IEEE Trans. Energy Conversion, 2004, Vol. 19, № 4, p.764-773.
21. Donelly M.R., Dagle J.E., Trudnowski D.J., Riders G.J. Impact of the Distributed Utility on Transmission System Stability // IEEE Trans. Power Systems, 1996, Vol.11, № 2, p.741-746.
22. Jenkins N., Allan R., Grossley P., Kirschen D., Strbac G. Embedded Generation. London; IEE, 2000, 273 p.
23. 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.
24. Batrinu F., Chicco G., Pomrub R., Postolache P., Toader C. Current Issues on Operation and Management of Distributed Resources // 5th Int. World Energy System Conf., Oradea, Pomania, May 17-19, 2004, p.31-36.
25. Дмитриева Г.А., Макаревский С.Н., Хвощинская З.Г. Результаты моделирования работы неуправляемой ветроэлектрической установки в энергосистеме большой мощности // Электричество, 1998, № 8 , с. 19-24.
26. Barker Ph. P., De Mello R.W. Determining the Impact of Distributed Generation on Power Systems: Part 1 - Radial Distribution Systems // 2000 IEEE PES Summer Meeting, Seattle, WA, USA, July 11-15, 2000, p.222-233.
27. Dany G. Impact of Inercasing Wind Generation on the Electricity Supply System // IAEW-FGE-Annual Report 2003, Aachen, Germany, 2003, p. 101-103.
28. Гуревич Ю.Е., Мамиконянц Л.Г., Шакарян Ю.Г. Проблемы обеспечения надежного электроснабжения потребителей от газотурбинных электростанций небольшой мощности // Электричество, 2002. № 2, с.2-9.
29. Papathanassiou S.A., Hatziargyriou N.D. Technical Requirements for the Connection of Dispersed Generation to the Grid // 2001 IEEE PES Summer Meeting, Vancouver, Canada, July 15-19, 2001, p.134-138.
30. Jimeno J., Laresgoiti I., Oyarzabal J., Stene B., Bacher R. Architectural Framework for the Integration of Distributed Resources // 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference, Bologna, Italy, June 23-26, 2003, p.91-96.
31. Фишман В. П. Построение систем РЗиА при наличии собственных источников электроэнергии у потребителей // Новости электротехники, 2002, № 6(18), с.34-37.
32. Funabashi T. Study on Protection and Control of Dispersed Generation // 2001 IEEE PES Summer Meeting, Vancouver, Canada, July 15-19, 2001, p. 131-133.
33. Meliopoulos A.P.S. Distributed Energy Sources: Neesds for Analysis and Design Tools // 2001 IEEE PES Summer Meeting, Vancouver, Canada, July 15-19, 2001, p.143-147.
34. Hatziargyriou N.D., Donnelly M., Papathanassiou S.A., Pecas Lopes J.A. e.a. Modeling New Forms of Generation and Storage // Electra, 2001, № 195, p.55-63.
