CC BY
39УДК 338.45:621.38:65.011
DO110.46920/2409-5516_2023_3181_62
EDN: MJNGAO
62 Анализ эффективности
применения накопителей I энергии в различных типах I электроэнергетических * систем
Analysis of the efficiency of energy storage in various types of electric power systems
Валентин ДЗЕДИК
Первый проректор, д. э. н., профессор кафедры прикладной информатики и математических методов в экономике, ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный университет» е-1г^1: [email protected]
Valentin DZIEDIK
Doctor of Economics, First Vice-Rector, Professor of the Department of Applied Informatics and Mathematical Methods in Economics, Volgograd State University E-mail: [email protected]
<
о
СЦ <
Ирина УСАЧЕВА
Доцент кафедры прикладной информатики и математических методов в экономике, к. э. н., ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный университет» е-1г^1: [email protected]
Анастасия МОТКОВА
Ассистент кафедры прикладной информатики и математических методов в экономике, ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный университет» е-1г^1: [email protected]
Irina USACHEVA
PhD in Economics, Associate Professor, Department of Applied Informatics and Mathematical Methods in Economics, Volgograd State University E-mail: [email protected]
Anastasia MOTKOVA
Assistant Professor, Department of Applied Informatics and Mathematical Methods in Economics, Volgograd State University E-mail: [email protected]
Аннотация. В настоящее время значительно увеличивается спрос на использование альтернативных источников электроэнергии для поддержания стабильной работы энергосистем на предприятиях различного уровня. Для рационального и эффективного внедрения б3 возобновляемых источников энергии (ВИЭ) одним из необходимых условий является использованиесистем накопления электрической энергии (СНЭЭ). В данной статье приведен анализ динамики фактических расходов электроэнергии на единицу отдельных видов произведенной продукции и услуг в РФ, долей электрической энергии, производимой с использованием ВИЭ, а также структуры целевого использования СНЭЭ. Ключевые слова: накопители энергии, электроэнергетические системы (ЭЭС), энергоэффективность, ВИЭ, СНЭЭ.
a
о
Abstract. At present, the demand for the use of alternative sources of electricity to maintain stable operation of power systems at enterprises of various levels is significantly increasing. For the rational and efficient introduction of renewable energy sources (RES), one of the necessary conditions is the use of electric energy storage systems (SNEE). This article provides an analysis of the dynamics of actual electricity consumption per unit of certain types of products and services produced in the Russian Federation, the share of electric energy produced using RES, as well as the structure of the target use of SNEE.
Keywords: energy storage, electric power systems (EES), energy efficiency, RES, SNEE.
//
В среднем КПД любой отдельно взятой системы накопления энергии по группе имеет положительный показатель, равный примерно 86,7%
В современных реалиях для всех потребителей и производителей электроэнергии вопрос об эффективности использования электроэнергетических систем, становится популярной фабулой исследования. Актуализация рассматриваемого вопроса обуславливается повышением спроса на потребление электроэнергии в различных типах электроэнергетических систем.
Рис. 1 иллюстрирует стабильный рост фактического расхода электроэнергии на единицу отдельных видов произведенной продукции и услуг в РФ за 20172021 гг. В 2021 г. данный показатель в целом вырос на 17% в сравнении с 2020 г.
и на 36 % в сравнении с 2017 г. При этом видно изменение структуры отпуска электроэнергии. Так, в 2017 г. наибольшую долю (46 %) составляла электроэнергия, отпущенная блок-станциями ТЭЦ, а в 2021 г. ее доля снизилась до 34,7 %, что обусловлено ростом использования дизельных электростанций (их доля в общем отпуске выросла с 6,5 % в 2017 г. до 22,5 % в 2021 г.).
Большинство организаций, как коммерческой, так и промышленной направленности, применяют в своей инфраструктуре многофункциональные технологии, априори влияющие на качество производства и передачи электроэнергии. Из-за масштабного применения электроэнергии в жизнедеятельности предприятий, количество которых с каждым годом возрастает, а нагрузка потребления увеличивается, происходит снижение качества передачи энергии и возникновение перебоев в работе и сети. В связи с этим, возникает необходимость рационализации использования энергоресурсов в различных типах электроэнергетических систем (ЭЭС) [1, с.165]. Основной задачей ЭЭС является стабильное обеспечение энергоснабжения при едином регулировании процессов производства, передачи и распределения электроэнергии. Другими словами, ЭЭС отвечает за обеспечение централизованной передачи электроэнергии для использования на предприятиях. Поэтому, для того чтобы электроэнергия расхо-
<
о
сх
<
о
X
о сг
10 1 14,3 13,7 20,8 46,7
70,1 73,8 70,2 70,6 71,9
39,5 44,5 40,4 45,7 43,4
32,8 34,2 36 40,1 45,1
Электроэнергия, отпущенная дизельными электростанциями (работающими от двигателей внутреннего сгорания)
Электроэнергия, отпущенная блок-станциями ТЭЦ
Электроэнергия, отпущенная ТЭЦ общего назначения
Электроэнергия, отпущенная электростанциями, работающими на котельно-печном топливе
2017
2018
2019
2020
2021
Рис. 1. Фактический расход электроэнергии (МВт'Ч) на единицу отдельных видов произведенной продукции и услуг в РФ за 2017-2021 гг.
Источник: [4]
гч о гч
<
с;
о
сц <
довалась пропорционально, без внеплановых потерь и нагрузок, разрабатываются и применяются разнообразные способы повышения эффективности использования электроэнергии. Одним из решений данной проблемы является применение систем накопления электроэнергии (СНЭ).
СНЭ представляют собой комплексное, интегрированное решение по накоплению электрической энергии, ее преобразованию и дальнейшему использованию [3, с. 148]. Принцип работы накопителей энергии в различных типах электроэнергетических систем заключается в следующем: в момент снижения нагрузки на сеть - накопитель заряжается, то есть, накапливает энергию в резервы; а, в момент максимальной нагрузки, наоборот, отдает зарезервированную энергию из накопителя.
Сейчас использование систем накопления электрической энергии набира-
Создание систем накопления энергии является одним из самых быстрорастущих секторов электроэнергетики в мире. За 10 лет он вырос в 48 раз, среднегодовые темпы роста составили 47 %
ет все большую популярность в работе промышленных предприятий [8]. Ведь именно промышленные организации являются самыми крупными потребителями топливно-энергетических ресурсов, а повышение энергоэффективности - является приоритетным фактором снижения производственных затрат, который положительно отражается на прибыли компаний-производителей [2, с. 15]. Соответственно, активное использование на предприятиях накопителей энергии, выявляет следующий ряд достоинств:
- уменьшение потерь электроэнергии;
- возможность экономии;
- рационализация использования электроэнергии;
- снижение потерь и прерываний, в период максимальной нагрузки.
В качестве доказательства результативности применения накопителей энергии был проведен анализ:
1. Долей электрической энергии, производимой с использованием возобновляемых источников энергии, в общем объеме производства электрической энергии в РФ.
2. Классификаций накопителей энергии с оценкой КПД по коэффициенту полезного действия.
3. Динамики ввода в эксплуатацию СНЭ, а также структуры их целевого использования.
Динамика долей электрической энергии, производимой с использованием
возобновляемых источников энергии в Российской Федерации, представлена на рис. 2 [4].
Доля электрической энергии, производимой с использованием возобновляемых источников энергии, в общем объеме производства электрической энергии с 2017 г. стабильно увеличивалась. Наибольший рост был в 2020 г., что обусловлено активным использованием альтернативных источников электроэнергии потребителями в период самоизоляции (пандемии).
Классификация накопителей энергии
Существуют три основные функциональные категории накопителей энергии [5, с. 30]:
1. Крупномасштабныенакопители.
2. Быстроразряжаемые накопители.
3. Системы накопления на базе аккумуляторов.
В настоящий момент времени уже разработано большое количество способов и методов накопления энергии. Между со-
Рис. 2. Доля электрической энергии, производимой с использованием возобновляемых источников энергии, в общем объеме производства электрической энергии за 2017-2021 гг. в РФ
Российская Федерация
Источник: [4]
2017
2018
2019
2020
2021
<
о
сх
<
■ Введение в год ■ Введено суммарно
о
X
о
CL
6000
5000
4000
3000
2000
1000
II
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019
Рис. 3. Динамика ввода СНЭ в мире за 10 лет
Источник: [6]
Таблица 1. Группы накопителей энергии
Источник: [5, с. 30-33]
0
<
с;
о
СЦ <
Наименование группы Наименование подгруппы КПД,%
1. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) 65-85
2. Гидравлические аккумуляторы 95
Механические накопители 3. Аккумуляторы сжатого воздуха (CAES) 40-55
4. Супермаховик (FESS) 85-98
5. Железнодорожные накопители (ARES) 68
Электрические накопители 6. Конденсатор 92
7. Сверхпроводящий индуктивный накопитель 95
8. Электрохимические аккумуляторы 90-95
Электрохимические 9. Проточные аккумуляторы 65-70
накопители 10. Суперконденсаторы (ионисторы) 90-95
11. Ультрабатарея 85-90
Термальные накопители - 90
Химические накопители 12. Водородная энергетика 80
13. Получение метана -
Среднеарифметический показатель КПД,% 86,7
бой они разделяются на несколько групп, которые, в свою очередь, подразделяются на подгруппы (см. таблицу 1).
По результатам таблицы можно сделать вывод о том, что в среднем КПД любого отдельно взятого накопителя в группах имеет положительный показатель = 86,7 %. Это говорит о целесообразности внедрения и высокой эффективности использования накопителей энергии на предприятиях.
Динамика ввода в эксплуатацию СНЭ и структура их целевого использования
В настоящее время, СНЭ являются одним из самых быстрорастущих и популяризованных секторов электроэнергетики в мире. За 10 лет данный сектор вырос в 48 раз, среднегодовые темпы роста к 2019 г. составили 47 % (рис. 3) [6]. В России эксплуатация СНЭ в большей степени осуществляется на трех крупных ГАЭС: Загорская ГАЭС-1 (1,2 ГВт), Кубанская ГАЭС (15,9 ГВт) и Зеленчукская ГЭС-ГАЭС (320 ГВт). Также существует ряд проектов на стадии реализации [10-11].
В России эксплуатация систем накопления энергии в большей степени осуществляется на трех ГАЭС: Загорская ГАЭС-1 (1,2 ГВт), Кубанская ГАЭС (15,9 ГВт) и Зеленчукская ГЭС-ГАЭС (320 ГВт)
Ранее было указано, что одним из достоинств применения накопителей энергии является регулирование частоты и уменьшение пиковой нагрузки потребления электроэнергии. Структура целевого использования СНЭ графически представлена на рис. 4.
Согласно рис. 4 одними из главных показателей целевого использования СНЭ являются: регулирование частоты - 55 %, смещение графика нагрузки = 13% и снижение счета потребителя -12 %. В настоящее время, большинство проектов, направленные на внедрение
о
X
о
CL
Суперконденсатор на нанотрубках
Источник: Global Look Press/smotrlm.ru
<
с;
о
сх
<
55%
о
X
о
CL
13% 11%
9%
7%
2%
1%
1%
1%
Регулирование частоты
Смещение графика нагрузки Снижение счета потребителя
Резервная мощность Поддержка ВИЭ Холодный пуск Снижение счета с ВИЭ Управление нагрузками Надежность и качество
Рис. 4. Структура целевого использования СНЭЭ
Источники: база данных DOE, анализ АО «Фонд «Форсайт»
<
О
СЦ <
и использование на предприятиях накопителей энергии, охватывают достижение представленных выше показателей. Так, например, существуют проекты СНЭ [9], функционал которых направлен на применение:
• интеграции ВИЭ в энергосистему;
• обеспечения устойчивой работы ГПУ;
• изменения графика энергопотребления для снижения расходов на электроэнергию;
• срезания пиковой мощности для исключения необходимости сетевого строительства;
• обеспечения бесперебойного питания;
• повышение динамической устойчивости.
Основываясь на результатах проведенного анализа, можно сделать следующие выводы:
1. Накопители энергии - это актуальный, а главное, действительно, рациональный проект, направленный на регулирование и рационализацию использования электроэнергии на предприятиях. Благодаря анализу КПД накопителей подтвержден положительный опыт применения СНЭ.
Использованные источники
Петрова Е. А, Усачева И. В., Ревенко В. Г. Стратегии поведения промышленного предприятия на энергетических рынках как инструмент реализации принципа рационального поведения / Е.А. Петрова, И. В. Усачева, В. Г Ревенко. - Текст: непосредственный // Региональная экономика. Юг России. 2021 Т. 9. № 1. С. 163-174. DOI: 10.15688/ re.volsu.202n.14.
ДзедикВ. А, Усачева И. В. Управление энергоэффективностью промышленного предприятия / В. А. Дзедик, И. В. Усачева. - Текст: непосредственный // Энергетика и цифро-визация: теория и практика трансформации: материалы I Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию «Плана ГОЭЛРО» и 55-летию ФГБУ «Российское энергетическое агентство» Министерства энергетики РФ, Волгоград, 19 ноября 2021 года / Волгоградский центр научно-технической информации - филиал
ФГБУ «Российское энергетическое агентство» Министерства энергетики Российской Федерации. Волгоград, 2021. С. 14-22. DO!: 10.52347/9785604619513_14. МазуровА. Ю. Накопители электрической энергии / МазуровА. Ю. - Текст: непосредственный // СНТК 73 «Актуальные проблемы энергетики». Секция 1 «Электрические станции»: материалы научно-технической конференции студентов и аспирантов БНТУ // Белорусский национальный технический университет. Минск, 2017.- URL: http://electro. bntu.by/content/view/321/1/
Федеральная служба государственной статистики: официальный сайт. - URL: https://rosstat.gov.ru/folder/11189 (дата обращения 08.11.2022). - Текст: электронный. Козлов С. В., КиндряшовА. Н., Соломин Е.В. Анализ эффективности систем накопления энергии / Козлов С. В., КиндряшовА. Н., СоломинЕ. В. - Текст: непосредствен-
Водородный накопитель
Источник: rosatomnewsletter.com
2. С каждым годом накопители энергии обретают все большую популярность, на что указывает динамика долей использования электроэнергии, производимой с использованием возобновляемых источников энергии.
3. Структура использования накопителей энергии наглядно демонстрирует эффективность применения СНЭ. Существует баланс и рационализированные способы распределения электроэнергии без потерь и перебоев.
В заключении, стоит отметить, что накопители энергии, все еще развивающийся
механизм в сегменте электроэнергетических систем, что говорит о возможных повышениях эффективности и усовершенствования применения накопителей. Благодаря статистике и динамике потребления энергии, а также КПД использования накопителей, можно сделать вывод о том, что накопители энергии сейчас - это актуальный способ рационализации работы систем энергоснабжения на предприятиях.
Исследование поддержано грантом Президента РФ, проект № МК-2776.2022.1.6. (соглашение № 075-15-2022-597 от 06.05.2022 г.).
ный И Альтернативная энергетика и экология. 2015. Т. (2). С. 29-34.-URL:https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.02.004 (дата обращения: 02.11.2022).
Применение систем накопления энергии в России: возможности и барьеры // Инфраструктурный центр EnergyNet -Экспертно-аналитический отчет. Москва, 2019 (дата обращения 10.11.2022). - Текст: электронный. Гладкая Е А., Усачева И. В. Принятие решений по управлению системой электроснабжения промышленного предприятия на основе возобновляемых источников энергии / ЕА Гладкая, И. В. Усачева. - Текст: непосредственный // Системное моделирование социально-экономических процессов: труды 43-й Международной научной школы-семинара. Воронеж, 13-18 октября 2020 г./Под редакцией В. Г Гребенникова, И. Н. Щепиной. - Воронежский государ-ственныйуниверситет. Воронеж, 2020. С. 216-219.
10.
11.
Накопительная энергетика: «зеленая» инновация для сохранения энергии // Гэуппа «Деловой профиль». - Аналитическое исследование. - Накопительная энергетика. 2021. - Текст.электронный.
Нестеренко Г, Мельников В. Системы накопления электрической энергии. Подходы к оценке проектов / Нестеренко Г, Мельников В. // ООО «Системы накопления энергии». 2020. - Текст: электронный.
Рынок систем накопления электроэнергии в России: потенциал развития / Под ред. Ю. Удальцова, Д. Холкина //Центр стратегических разработок. Москва, 2018. - Текст: электронный.
Применение систем накопления энергии в России: возможности и барьеры / Под ред. Д. В. Холкина, Д. А. Корева //Инфраструктурный центр ЕпегдуЫе1. Москва, 2019,-Текст: электронный.
<
о
сх
<
